CN107016445A - 监测温室气体通量的各系统的系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及监测温室气体通量的各系统的系统。本发明公开了一种(例如)以能够管理区域性净碳通量和为碳金融工具定价的规模来监测碳通量数据的各系统的系统。该各系统的系统可监测森林、土壤、农业区、水域、烟气等中的碳通量。所述系统包括基于对二氧化碳的同位素异数体的同时测量来识别和量化碳源(例如，工业源、农业源或天然源)的装置，从而提供其在时间和空间上的整合。在多个尺度上采用碳标准以确保数据和碳金融工具的一致性。

Description

监测温室气体通量的各系统的系统
本申请是申请日为2010年02月02日、申请号为201080015551.5、名称为“监测温室气体通量的各系统的系统”的专利申请的分案申请。
技术领域
本发明一般涉及用于测量、整合及分析温室气体源数据的地理规模标准化系统，其可用于支持碳交易和碳管理政策。
背景技术
基于市场的温室气体(GHG)(具体体现为大气CO2)交易系统(例如，IPCC 2007)的出现为全球碳循环的研究提供了技术上更为严格的项目特定性方法(Tans等，1996；Steffen等，1998)。成本效益、高精度和碳特定性监测不仅促进我们对这颗行星的碳动态(例如，全碳预算)的了解，而且也是新的迅速兴起的碳经济的基础，其中地理上分立确定的项目表示部分(地方和区域性)碳预算(Capoor and Ambrosi 2007)。地方、区域、全国及全球规模排放的碳负担核算反映在减少、避免和以其它方式减少目前来源以及通过碳封存(carbon sequestration)显示负碳结果的监管方法中。
具体来说，1997年12月的“京都议定书”规定了工业化国家的排放目标和时间表以及满足这些目标的基于市场的措施(参见Anderson,J.W.1998,The Kyoto Protocol onClimate Change:Resources for the Future)，并且需要量化碳通量的要求来执行“京都议定书”。WO 99/42814一般性地描述了CO2同位素的测量，以便确定和监测来自自然源和人为源的全球和区域性碳排放。然而，WO 99/42814仅从广义上描述了这种系统，并没有提供有关应如何进行具体实施的任何细节。要注意的是，实际上“京都议定书”的通过超过了十年，但目前还没有实验或商业系统采用一个仪器将用于13C和14C的测量和监测的各系统相结合。特别是，自引入“京都议定书”(1997年)以来，尚没有可用于碳交易目的的可靠的地理规模系统能对碳进行直接的测量、监测、核查及核算。
发明内容
本发明提供一种各系统的系统，该各系统的系统首次可允许对来自自然和人造碳排放物中的碳通量进行整合，产生双碳核算系统，在这种双碳核算系统中，生物源或自然源和化石/工业排放物分别被量化以达到碳交易的目的。因此，意识到生态系统功能和人类活动均可根据减碳效率及在任何给定位置和任何给定时间段内提供的其它因素(例如，生态功能)而差别定价，则可将碳交易细化为二碳法(例如，化石燃料C和生物源C)。迄今为止，碳定价机制并不考虑这两种碳的类型，虽然它们是相互联系而反映人造碳和生物源碳动态的。
本文公开了一种能够对大气气体(如，二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)和一氧化二氮(N2O))的同位素异数体(isotopologues)进行实时、定量分析以进行组分识别和量化的各系统的系统。本文描述了一种收集大气气体、使用同位素分析仪并根据取样频率要求来分析这些气体的同位素组成以及利用标准物和/或全球参考物来协调整个取样点的数据的各系统的系统。将数据提供至中央位置，并根据具体实施例和采用产生适用于碳交易所的碳公吨数的转换方法提供基于同位素的数据产品。在CO2情况下的这种产品可产生能够由工业区、州、区域、政府、温室气体交易所、温室气体条约核查机构以及其它利益相关者用于进行碳预算分析、碳定价和碳管理的二碳交易系统(例如，生物源碳和化石碳)。
本发明还提供三池激光系统(three cell laser system)的设计细节，所述三池激光系统在仪器内校准，并且也可以是(例如)与至少一些情况下的整个景观中的其它仪器互校准的，每个仪器均可参考已知的全球标准，以确保数据的地理可比性，以及因此确保在使用这种数据作为连续实时交易方案或不连续交易方案进行碳交易时的货币等价性。因此，本发明表现出的能力远超出单个13C或14C仪器的能力。这种单一的分析确定目前是监测碳同位素异数体的标准，不涉及要理解的必要组分，也不使用碳交易目的的数据。
本发明的一方面涉及对温室气体的源项数据(如，反映给定区域和给定取样频率下的给定时间段内的化石碳和生物源碳的碳预算)有效地进行测量、监测、报告、核查、分析和货币化的各系统的系统。
本发明的另一方面提供用于确定气体(如，环境空气流中的二氧化碳)组分的一种或多种同位素异数体的浓度和同位素比率的集成多同位素比率仪。在某些实施例中，提供用于确定浓度和同位素比的集成近同时多同位素比率仪。相关的同位素异数体包括(但不限于)12C、13C和14C；在一些实施例中，相关碳同位素异数体的测量采用三池激光系统。
本发明的另一方面提供能够对从任何源(从诸如烟道的点源或提取自海洋的气体到地球上任何地方的陆地或水域上的任何类型的开放空间)抽取的混合气体的组分浓度和同位素比率进行近同时精确测量的可现场部署的仪器。
本发明的另一方面提供基于用于大面积森林、农业、水域、自然保护区及其它非工业源的地理上分立的分析仪集合，使用各系统的系统来测量、监测、识别、报告、核查、分析CO2排放数据并向碳交易所提供该数据，同时由工业活动及其它人类活动来提供所述数据的方法。这种分立集合的布置由以各种初始配置使用该各系统的系统并选择用于指定的测量和监测方案的一种或多种优选配置决定。因此，该各系统的系统在确定其最佳应用方面不可或缺；如果没有这种各系统的系统，则不可能实现这种有效的碳测量、监测、核查和核算。在上述情况中，本发明以未见报道的方式提供对化石和生物源贡献的定量确定。
本发明的另一方面提供能够被远程控制和查询以及经由信号传输将数据实时提供给任意数量的数据中心、控制点或温室气体电子交易平台的仪器或仪器组。
本发明的另一方面提供能够对气体的同位素异数体进行近同时和多种类(species)分析的仪器，该仪器以非破坏性方式对样品进行这种分析，从而使所述气流可用于任何类型(包括土壤、溶解的无机碳和所关注的其它形式的碳)的附加分析仪。根据要测量和监测的生物及物理过程的时间常数，可以在1秒或更短至数小时的规模上进行这种同时分析。
本发明的另一方面提供一种仪器，该仪器可以被扩充成包括多种其它传感器和取样技术(当它们可以利用时，并将它们集成在三池系统内)。
本发明的另一方面提供使用各系统的系统来测量、监测、识别、报告、核查、分析多种碳排放(从工业源，包括分立的点位置、工业园，和这种工业源可能所在的大面积地域)的CO2排放数据并向碳交易所提供该数据的方法。
本发明的另一方面包括使用一个或多个通用密封的参考池来确定每种同位素异数体(如12C、13C和14C)的可能相同或可使之相同的比率并均匀地分布在仪器集合内，并提供由所有仪器在整个时间和空间内进行测量的实时相互可比性。
本发明的再一方面包括在整个界定区域内采用仪器集合，每个仪器均具有密封的标准参考池，其中每个仪器测量在参考池中和在空气或其它气体流中的二氧化碳的同位素比率，并将其与集合中的其它仪器比较，然后与外部主参考气体密封池(例如，主参考)比较。可将主参考气体密封池保持在中央参考设施处，以实时地确保整个空间和时间内的同位素数据的可比性，并对涉及碳衍生物的整个所有形式的财务结算内的实时碳交易和货币化进行核查。这种主参考气体密封池将与一个或多个关于12C、13C和14C比率的国际气体标准相关，以提供用于碳交易的相互可比数据集的网络，以多种尺度管理碳预算并更好地了解全球碳循环。
本发明的再一方面包括经由任何类型的遥测将同位素数据实时地传输至中央数据收集点，在此根据时间和空间坐标对所述数据进行分析、聚合和汇总，并随后用作适当模型的输入。这样模型和数据产生给定区域和时间段内的碳排放总量，以提供基于市场的碳交易单位，如碳公吨数。
本发明的又一方面包括产生基于同位素的碳排放单位的当量，例如，对生物源和化石源碳的二碳或双碳核算作为将碳源量精确货币化的手段，并与温室气体交易所或其它交易机制接口，以支持对基于碳的金融工具的值进行碳定价、交易及核查，并遵守碳排放监管框架。这种接口可由大气模型(包括实时气象数据、土壤、海洋、特定生态系统)和/或具有上述类型的耦合部件的多种模型组成。数据模型融合的结果是空间上和时间上确定的碳通量的实际质量，其可用于计算用于交易的碳单位(公吨)。
本发明的又一方面提供部署各系统的系统的方法，用于对设施内或地方、区域、州、国家和全国景观区内的分立点或根据地理条约规定或在行星地球的表面、地下或大气层上的整个任何陆地或水域上的碳排放源和数量进行测量、报告及核查。
本发明的又一方面提供直接比较基于地面和基于卫星的碳测量的方法。在这种实施例中，卫星可容纳密封池主参考标准物以及测量相关部分的光谱以检测碳排放的分析装置。由于卫星通过具有多同位素分析仪的集合的地区，因此星载密封参考池将确保在感测光谱的卫星路径中的用于所有分析仪的单基线，从而提供两种方法(例如，基于地面和基于空间)之间的直接实时比较。在卫星跨越多同位素分析仪的地理位置时，此实施例也可用于核查和/或校正集合的基线特征。
在各实施例中，所述各系统的系统、部件和相关方法可用于气体、液体或固体样品，前提条件是首先通过加热、燃烧或其它适当方式将固体或液体样品转换成气体。在某些实施例中，对样品气体混合物中的组分浓度和同位素比率进行测量的方法包括如下：将样品气体混合物装入能够测量气体浓度的仪器和能够测量气体同位素比率的仪器中。对所述样品气体混合物测量气体浓度和气体同位素比。在一些实施例中，所述方法还包括从所述气体混合物中除去干扰种类。在一些实施例中，所述样品气体混合物的组分为二氧化碳，所述干扰气体种类为氧气。在一些实施例中，所述方法还包括增加或减少样品气体混合物的组分(例如，二氧化碳)的浓度，以便提高测量精度。在一些实施例中，在三池激光系统中基本上同时进行相关碳形式(12CO2、13CO2、14CO2)中每一者的气体浓度测量和气体同位素比率测量。
某些实施例提供用于对样品气体混合物中的组分浓度和同位素比率进行测量的设备。所述设备包括用于测量样品气体混合物中的组分浓度的装置；用于测量样品气体混合物中组分的同位素比率的装置；和将样品气体混合物装入浓度测量装置和同位素比率测量装置的装置。在某些情况下，浓度测量装置为红外气体分析仪。在一些实施例中，同位素比率测量装置为基于激光的装置。在一些实施例中，所述设备还包括在测量组分前从样品气体混合物中除去一种或多种干扰种类的装置。在某些情况下，样品气体混合物的组分为CO2，干扰种类为氧气。在一些实施例中，除去干扰气体种类的装置包括一个或多个化学洗涤器或气体选择性膜或将干扰气体种类与所述样品气体混合物的组分进行低温分离的装置。在一些实施例中，所述设备还包括用于增加或减少样品气体混合物中的组分浓度以便提高测量精度的装置。在一些实施例中，用于增加组分浓度的装置包括气体选择性膜或低温阱，减少浓度的装置包括在可膨胀的控制腔体(如，不锈钢波纹管)内用惰性气体(如，氮)稀释样品气体。某些实施例提供以上文所述的三池激光系统对多种碳种类的浓度和同位素比率进行同时测量(例如，同时测量碳13和碳14相比于12C的同位素比率)的设备。
某些实施例提供如上所述用于组合分析系统的方法或设备，其中将所述系统产生的数据用于创建、管理碳预算并使之货币化。在某些情况下，所述系统包括装置的地理坐标网。在一些实施例中，所述网络覆盖特定的工业用地、国家、州、区域、乡村、温室气体条约的边界或选定测量和监测的任何其它区域。在某些情况下，获得所述地区的结果以减少碳交易的不确定性。可采用反欺诈手段由各实体核查碳减排。可提供符合任何自愿性或强制性减排政策或核查跨国碳减排条约的手段。在一些实施例中，提供通过以实际的实时测量代替碳排放估算来减少任何基于碳的金融工具交易的不确定性的手段。
还在其它实施例中，所述各系统的系统可包括各种配置的与国际参考气体相关的外部密封池参考气体，其与现场分析仪分离，但用于经由任何形式的遥测将主标准物与现场装置中使用的标准物进行比较。还在其它实施例中，外部密封参考池可由卫星或空间站空载，其中卫星中的碳排放传感器提供与与卫星地面足迹重叠的地面上的基于地面的多同位素分析仪的比较，或为所有多同位素分析仪提供附加的参考气体，这些多同位素分析仪在空载参考信号经过多同位素分析仪的集合时通信和比较数据。
本发明的另一方面提供预定分配在有关特定应用所关注的整个地理区域内的所需或最佳的分析仪密度和测量频率。对碳通量的测量、监测、分析及核查可提供对分析仪的最佳密度和测量频率的进一步了解。
在某些实施例中描述用于产生将森林空气中的生物源碳和化石碳分别量化的可交易产品的各系统的系统。该各系统的系统可包括用于收集森林中的碳通量数据的碳数据收集系统和用于将测量的12C、13C和14C同位素量转换成将森林中的生物源碳和化石碳分别量化的可交易产品的数据处理系统。用于收集森林中的碳通量数据的碳数据收集系统包括设置在整个森林中的预定代表性位置处的分析仪阵列，其中每个分析仪包括12C激光装置、13C激光装置、14C激光装置、测量森林空气样品中含有的各12C、13C和14C同位素量的样品室、能够以至少1Hz或10Hz或50Hz或100Hz的速率来测量12C、13C和14C同位素的计时器、用于获得标准参考基线并基于标准参考基线对由每个所述分析仪所测量的12C、13C和14C同位素量进行校准的标准参考气体模块以及用于将所测量的森林空气中的12C、13C和14C同位素量发送至数据处理系统的遥测装置。
在某些实施例中描述用于产生将森林空气中的生物源碳和化石碳分别量化的可交易产品的方法。该方法包括(a)将分析仪阵列设置在整个森林中的预定代表性位置处，其中每个分析仪包括12C激光装置、13C激光装置、14C激光装置和样品室；(b)以至少1Hz或10Hz或50Hz或100Hz的速率在分析仪的样品室中收集森林空气样品并测量样品中含有的各12C、13C和14C同位素量；(c)用标准参考气体模块来获得标准参考基线；(d)基于标准参考基线对由每个分析仪所测量的12C、13C和14C同位素量进行校准；(e)将所测量的森林空气样品中的12C、13C和14C同位素量发送至数据处理系统；以及(f)在数据处理系统中将测量的12C、13C和14C同位素量转换成将森林中的生物源碳和化石碳分别量化的可交易产品。
在某些实施例中，每个分析仪包括标准参考气体模块，使得可在每个分析仪处获得标准参考基线。
在某些实施例中，该各系统的系统还包括全球参考系统，其包括12C激光装置、13C激光装置、14C激光装置、测量全球参考样品中含有的各12C、13C和14C同位素量的全球参考样品池以及基于测量的全球参考样品中含有的12C、13C和14C同位素量将由数据收集系统的分析仪所测量的12C、13C和14C同位素量标准化以使得可基于测量的全球参考样品中的12C、13C和14C同位素量将测量的森林空气样品中的12C、13C和14C同位素量标准化的校准系统。在某些实施例中，全球参考样品可位于卫星中。
在某些实施例中，将至少25、50、75或100个分析仪设置在整个森林中的预定代表性位置处。
在某些实施例中，预定代表性位置包括分立森林区的边界，其中所述边界包括区域、州、多个州、规定了温室气体条约或需要监测温室气体的其它公约的边界配置。
在某些实施例中，预定代表性位置包括在林冠上方、在林冠下方以及在林地处。
在某些实施例中，数据处理系统还可包括针对生物源碳和化石燃料碳参数化的一个或多个转换系统，以在数据处理系统中将测量的12C、13C和14C同位素量转换成将森林中的生物源碳和化石碳分别量化的可交易产品。
在某些实施例中描述用于产生将土壤中的生物源碳和化石碳分别量化的可交易产品的各系统的系统。该各系统的系统可包括用于收集土壤中的碳通量数据的碳数据收集系统和用于将测量的12C、13C和14C同位素量转换成将土壤中的生物源碳和化石碳分别量化的可交易产品的数据处理系统。用于收集土壤中的碳通量数据的碳数据收集系统包括设置在整个土壤中的预定代表性位置处的分析仪阵列，其中每个分析仪包括12C激光装置、13C激光装置、14C激光装置、测量土壤样品中含有的各12C、13C和14C同位素量的样品室、可以至少1Hz或10Hz或50Hz或100Hz的速率来测量12C、13C和14C同位素的计时器、用于获得标准参考基线并基于所述标准参考基线对由每个所述分析仪所测量的12C、13C和14C同位素量进行校准的标准参考气体模块以及用于将土壤中的12C、13C和14C同位素测量量发送至数据处理系统的遥测装置。
在某些实施例中描述用于产生将土壤中的生物源碳和化石碳分别量化的可交易产品的方法。该方法包括(a)将分析仪阵列设置在整个土壤中的预定代表性位置处，其中每个分析仪包括12C激光装置、13C激光装置、14C激光装置和样品室；(b)以至少1Hz或10Hz或50Hz或100Hz的速率在分析仪的样品室中收集土壤样品并测量样品中含有的各12C、13C和14C同位素量；(c)用标准参考气体模块来获得标准参考基线；(d)基于标准参考基线对由每个分析仪所测量的12C、13C和14C同位素量进行校准；(e)将土壤样品中的12C、13C和14C同位素测量量发送至数据处理系统；以及(f)zau数据处理系统中将测量的12C、13C和14C同位素测量量转换成将土壤中的生物源碳和化石碳分别量化的可交易产品。
在某些实施例中，每个分析仪包括标准参考气体模块，使得可在每个分析仪处获得标准参考基线。
在某些实施例中，该各系统的系统还包括全球参考系统，其包括12C激光装置、13C激光装置、14C激光装置、测量全球参考样品中含有的各12C、13C和14C同位素量的全球参考样品池以及基于测量的全球参考样品中含有的12C、13C和14C同位素量将由数据收集系统的分析仪所测量的12C、13C和14C同位素量标准化以使得可基于测量的全球参考样品中的12C、13C和14C同位素量使土壤样品中的12C、13C和14C同位素测量量标准化的校准系统。在某些实施例中，全球参考样品可位于卫星中。
在某些实施例中，将至少25、50、75或100个分析仪设置在整个土壤中的预定代表性位置处。
在某些实施例中，数据处理系统还可包括针对生物源碳和化石燃料碳参数化的一个或多个转换系统，以在数据处理系统中将测量的12C、13C和14C同位素量转换成将土壤中的生物源碳和化石碳分别量化的可交易产品。
在某些实施例中，相对于测量的生物源碳的化石碳的测量量可表明土壤被破坏。
在某些实施例中描述用于产生将农业区中的生物源碳和化石碳分别量化的可交易产品的各系统的系统。该各系统的系统可包括用于收集农业区中的碳通量数据的碳数据收集系统和用于将测量的12C、13C和14C同位素量转换成将农业区中的生物源碳和化石碳分别量化的可交易产品的数据处理系统。用于收集农业区中的碳通量数据的碳数据收集系统包括设置在农业区中的预定地上和地下位置处的分析仪阵列，其中每个分析仪包括12C激光装置、13C激光装置、14C激光装置、测量地上和地下位置处样品中含有的各12C、13C和14C同位素量的样品室、可以至少1Hz或10Hz或50Hz或100Hz的速率来测量12C、13C和14C同位素的计时器、用于获得标准参考基线并基于所述标准参考基线对由每个所述分析仪所测量的12C、13C和14C同位素量进行校准的标准参考气体模块以及用于将测量的农业区中的12C、13C和14C同位素量发送至数据处理系统的遥测装置。
在某些实施例中描述用于产生将农业区中的生物源碳和化石碳分别量化的可交易产品的方法。该方法包括(a)将分析仪阵列设置在农业区中的预定代表性地上和地下位置处，其中每个分析仪包括12C激光装置、13C激光装置、14C激光装置和样品室；(b)以至少1Hz或10Hz或50Hz或100Hz的速率在分析仪的样品室中收集地上和地下位置处的碳气体样品并测量样品中含有的各12C、13C和14C同位素量；(c)用标准参考气体模块来获得标准参考基线；(d)基于标准参考基线对由每个分析仪所测量的12C、13C和14C同位素量进行校准；(e)将测量的地上和地下位置处的样品中的12C、13C和14C同位素量发送至数据处理系统；以及(f)在数据处理系统中将测量的12C、13C和14C同位素量转换成将农业区中的生物源碳和化石碳分别量化的可交易产品。
在某些实施例中，地上位置可包括地面以上0至20米。在一些其它实施例中，地下位置可包括地面以下0至100米。
在某些实施例中，每个分析仪包括标准参考气体模块，使得可在每个分析仪处获得标准参考基线。
在某些实施例中，该各系统的系统还包括全球参考系统，其包括12C激光装置、13C激光装置、14C激光装置、测量全球参考样品中含有的各12C、13C和14C同位素量的全球参考样品池以及基于测量的全球参考样品中含有的12C、13C和14C同位素量将由数据收集系统的分析仪所测量的12C、13C和14C同位素量标准化以使得可基于测量的全球参考样品中的12C、13C和14C同位素量使农业区的样品中的12C、13C和14C同位素测量量标准化的校准系统。在某些实施例中，全球参考样品可位于卫星中。
在某些实施例中，将至少25、50、75或100个分析仪设置在整个农业区中的预定代表性位置处。
在某些实施例中，数据处理系统还可包括针对生物源碳和化石燃料碳参数化的一个或多个转换系统，以在数据处理系统中将测量的12C、13C和14C同位素量转换成将农业区中的生物源碳和化石碳分别量化的可交易产品。
在某些实施例中描述用于产生将水域中的生物源碳和化石碳分别量化的可交易产品的各系统的系统。该各系统的系统可包括用于收集水域中的碳通量数据的碳数据收集系统和用于将测量的12C、13C和14C同位素量转换成将水域中的生物源碳和化石碳分别量化的可交易产品的数据处理系统。用于收集水域中的碳通量数据的碳数据收集系统包括设置在整个水域中的预定代表性位置处的分析仪阵列，其中每个分析仪包括12C激光装置、13C激光装置、14C激光装置、能够对水域中的溶解气体进行气提的气提装置、测量从水域样品中气提的溶解气体中含有的各12C、13C和14C同位素量的样品室、可以至少1Hz或10Hz或50Hz或100Hz或至少每小时一次的速率来测量12C、13C和14C同位素的计时器、用于获得标准参考基线并基于所述标准参考基线对由每个所述分析仪所测量的12C、13C和14C同位素量进行校准的标准参考气体模块以及用于将测量的水域中的12C、13C和14C同位素量发送至数据处理系统的遥测装置。
在某些实施例中，描述了用于产生将水域中的生物源碳和化石碳分别量化的可交易产品的方法。该方法包括(a)将分析仪阵列设置在整个水域中的预定代表性位置处，其中每个分析仪包括12C激光装置、13C激光装置、14C激光装置、样品室和能够对水域中的溶解气体进行气提的气提装置；(b)收集分析仪中的水样；(c)对水样中的溶解气体进行气提；(d)以至少1Hz或10Hz或50Hz或100Hz或至少一小时一次的速率在分析仪的样品室中收集气体并来测量样品中含有的各12C、13C和14C同位素量；(e)用标准参考气体模块来获得标准参考基线；(f)基于标准参考基线对由每个分析仪所测量的12C、13C和14C同位素量进行校准；(g)将测量的水域的溶解气体样品中的12C、13C和14C同位素量发送至数据处理系统；以及(h)在数据处理系统中将测量的12C、13C和14C同位素量转换成将水域中的生物源碳和化石碳分别量化的可交易产品。
在某些实施例中，每个分析仪包括标准参考气体模块，使得可在每个分析仪处获得标准参考基线。
在某些实施例中，该各系统的系统还包括全球参考系统，其包括12C激光装置、13C激光装置、14C激光装置、测量全球参考样品中含有的各12C、13C和14C同位素量的全球参考样品池以及基于测量的全球参考样品中含有的12C、13C和14C同位素量将由数据收集系统的分析仪所测量的12C、13C和14C同位素量标准化以使得可基于测量的全球参考样品中的12C、13C和14C同位素量使测量的水样中的12C、13C和14C同位素量标准化的校准系统。在某些实施例中，全球参考样品可位于卫星中。
在某些实施例中，将至少25、50、75或100个分析仪设置在整个水域中的预定代表性位置处。
在某些实施例中，数据处理系统还可包括针对生物源碳和化石燃料碳参数化的一个或多个转换系统，以在数据处理系统中将测量的12C、13C和14C同位素量转换成将水域中的生物源碳和化石碳分别量化的可交易产品。
在某些实施例中，数据处理系统跟踪一段时间内的测量的12C、13C和14C同位素量，以监测水域中的营养物质变化。
在某些实施例中描述用于产生将烟气中的生物源碳和化石碳分别量化的可交易产品的各系统的系统。该各系统的系统可包括用于从烟气收集碳通量数据的碳数据收集系统和用于将测量的12C、13C和14C同位素量转换成将烟气中的生物源碳和化石碳分别量化的可交易产品的数据处理系统。用于从烟气收集碳通量数据的碳数据收集系统包括设置在暴露到烟气的预定代表性位置处的分析仪阵列，其中每个分析仪包括12C激光装置、13C激光装置、14C激光装置、测量烟气样品中含有的各12C、13C和14C同位素量的样品室、允许一天至少1,440次、1Hz或10Hz或50Hz或100Hz的速率来测量12C、13C和14C同位素的计时器、用于获得标准参考基线并基于所述标准参考基线对由每个所述分析仪所测量的12C、13C和14C同位素量进行校准的标准参考气体模块以及用于将测量的烟气中的12C、13C和14C同位素量发送至数据处理系统的遥测装置。
在某些实施例中描述用于产生将烟气中的生物源碳和化石碳分别量化的可交易产品的方法。该方法包括(a)将分析仪阵列设置在暴露到烟气的预定代表性位置处，其中每个分析仪包括12C激光装置、13C激光装置、14C激光装置和样品室；(b)以一天至少1,440次、1Hz或10Hz或50Hz或100Hz的速率在分析仪的样品室中收集烟气样品并测量样品中含有的各12C、13C和14C同位素量；(c)用标准参考气体模块来获得标准参考基线；(d)基于标准参考基线对由每个分析仪所测量的12C、13C和14C同位素量进行校准；(e)将测量的烟气样品中的12C、13C和14C同位素量发送至数据处理系统；以及(f)在数据处理系统将测量的12C、13C和14C同位素量转换成将烟气中的生物源碳和化石碳分别量化的可交易产品。
在某些实施例中，每个分析仪包括标准参考气体模块，使得可在每个分析仪处获得标准参考基线。
在某些实施例中，该各系统的系统还包括全球参考系统，其包括12C激光装置、13C激光装置、14C激光装置、测量全球参考样品中含有的各12C、13C和14C同位素量的全球参考样品池以及基于测量的全球参考样品中含有的12C、13C和14C同位素量将由数据收集系统的分析仪所测量的12C、13C和14C同位素量标准化以使得可基于全球参考样品中的12C、13C和14C同位素量使测量的烟气样品中的12C、13C和14C同位素量标准化的校准系统。在某些实施例中，全球参考样品可位于卫星中。
在某些实施例中，将至少25、50、75或100个分析仪设置在接触烟气的预定代表性位置处。
在某些实施例中，数据处理系统还可包括针对生物源碳和化石燃料碳参数化的一个或多个转换系统，以在数据处理系统中将测量的12C、13C和14C同位素量转换成将烟气中的生物源碳和化石碳分别量化的可交易产品。
在某些实施例中，数据处理系统跟踪一段时间内测量的12C、13C和14C同位素量，以根据规定或自愿性排放准则来监测化石碳燃烧的减少。
在某些实施例中描述用于产生将核电站附近的生物源碳和化石碳分别量化的可交易产品的各系统的系统。该各系统的系统可包括用于收集烟气中的碳通量数据的碳数据收集系统和用于将测量的12C、13C和14C同位素量转换成将核电站附近的生物源碳和化石碳分别量化的可交易产品的数据处理系统。用于收集核电站附近的碳通量数据的碳数据收集系统包括设置在核电站附近的预定代表性位置处的分析仪阵列，其中每个分析仪包括12C激光装置、13C激光装置、14C激光装置、测量核电站排放物中含有的各12C、13C和14C同位素量的样品室、可以至少1Hz或10Hz或50Hz或100Hz的速率来测量12C、13C和14C同位素的计时器、用于获得标准参考基线并基于所述标准参考基线对由每个所述分析仪所测量的12C、13C和14C同位素量进行校准的标准参考气体模块以及用于将核电站排放物中的12C、13C和14C同位素测量量发送至数据处理系统的遥测装置。
在某些实施例中描述用于产生将核电站附近的生物源碳和化石碳分别量化的可交易产品的方法。该方法包括(a)将分析仪阵列设置在核电站附近的预定代表性位置处，其中每个分析仪包括12C激光装置、13C激光装置、14C激光装置和样品室；(b)以至少1Hz或10Hz或50Hz或100Hz的速率在分析仪的样品室中收集核电站排放物样品并测量样品中含有的各12C、13C和14C同位素量；(c)用标准参考气体模块来获得标准参考基线；(d)基于标准参考基线对由每个分析仪所测量的12C、13C和14C同位素量进行校准；(e)将测量的核电站排放物样品中的12C、13C和14C同位素量发送至数据处理系统；以及(f)在数据处理系统将测量的12C、13C和14C同位素量转换成将核电站排放物中的生物源碳和化石碳分别量化的可交易产品。
在某些实施例中，每个分析仪包括标准参考气体模块，使得可在每个分析仪处获得标准参考基线。
在某些实施例中，该各系统的系统还包括全球参考系统，其包括12C激光装置、13C激光装置、14C激光装置、测量全球参考样品中含有的各12C、13C和14C同位素量的全球参考样品池以及基于测量的全球参考样品中含有的12C、13C和14C同位素量将由数据收集系统的分析仪所测量的12C、13C和14C同位素量标准化以使得可基于测量的全球参考样品中的12C、13C和14C同位素量使测量的核电站排放物中的12C、13C和14C同位素量标准化的校准系统。在某些实施例中，全球参考样品可位于卫星中。
在某些实施例中，将至少25、50、75或100个分析仪设置在核电站附近的预定代表性位置处。
在某些实施例中，数据处理系统还可包括针对生物源碳和化石燃料碳参数化的一个或多个转换系统，以在数据处理系统中将测量的12C、13C和14C同位素量转换成将核电站排放物中的生物源碳和化石碳分别量化的可交易产品。
附图说明
图1为1850年至2000年间14CO2、13CO2和CO2浓度(来源于多种来源)的浓度汇总图(Kosovic 2008)。
图2为化石燃料、现代植物的气体排放物中13C与14C同位素比率图以及具有不同浓度的石化燃料的液体生物燃料的分析图。13C对14C数据表示反映如下化石燃料和生物源碳源的生物圈中的相关源项。生物柴油共混物(菱形)(Reddy等，2008)；天然气、液体燃料和煤的值(填充的方形)(Widory2006)；现代草(实心棒形)(Riley等，2008)；现代玉米(填充的倒三角形)(Hsueh等，2007)；现代空气(椭圆形)(Levin等，2003)；开框表示现代C4植物系列(O’Leary,1988)；开框表示现代C3植物系列(O’Leary,1998)；实心框表示岩浆CO2(Mary&Jambon,1987)；开三角表示猛犸山(Mammoth Mountain)地区的伐树地和正常林地中的土壤CO2(Farrar等，1995)。
图3为CO2的9种同位素异数体的激发波长的图示。箭头表示用于确定14C16O2101、13C16O2 102和12C16O2103同位素比率的激光跃迁。
图4为表示根据某些实施例的系统的模块的框图。
图5为可进行同位素分析以将来自要用于碳交易的气体的主要来源的碳排放量化的典型环境的图示。
图6为根据某些实施例的设备的汇总框图。图6至11中将使用下列附图标号。
2 气密性入口管
4 红外气体分析仪
5 气密性耦合管
6 电连接
7 气密性耦合管
8 基于微处理器的数据采集单元
9 气密性耦合管
10 电连接
11 电连接
12 电连接
14 自备式电源单元
15 天气硬化容器
16 电连接
18 样品调节单元
20 电连接
22 电连接
24 同位素比率分析仪
26 电连接
28 电连接
29 耦合管
30 隔膜泵
33 排放管
34 进气管
36 氧洗涤器
38 出气管
40 进气管
42 气密性气室
44 气密性耦合管
46 气体选择性膜
48 气密性耦合三通管
50 纯氮源
52 气密性耦合
54 流量控制阀
56 出气管
58 气密性耦合管
60 真空兼容电磁阀
62 气密性耦合管
64 气密性入口管
66 真空兼容电磁阀
68 气密性耦合三通管
70 气密性耦合管
72 电磁阀
74 纯氮源
76 四口二位流量切换阀
78 耦合管
80 耦合管
82 低温阱
84 出气管
86 耦合管
88 不锈钢盖
90 圆盘
92 气密性电气馈入装置
94 U形管的开口端
98 U形管的开口端
100 不锈钢排放管
102 电磁阀
104 排气管
106 玻璃纤维绝缘的电阻加热丝
108 不锈钢U形管
110 不锈钢气瓶
112 液氮杜瓦瓶
113 用于未知测量的样品室(ZnSe窗)
114 载气瓶或发生器
115 不锈钢可膨胀波纹管
116 进样口
117 调节进入样品池中的气流的毛细管
图7为并入图6的设备中的样品调节单元的实施例的框图。
图8为并入图6的设备中的样品调节单元的另一个实施例的框图，此样品调节单元采用气体选择性膜。
图9为并入图6的设备中的样品调节单元的实施例的框图，此样品调节单元采用低温阱。
图10为并入图8的样品调节单元中的低温阱的实施例的示意性剖视图。
图11为并入图6的设备中的样品调节单元的实施例的框图，此样品调节装置采用适当的载气(如，氮气)的源，以对给定样品进行稀释，从而增加样品中13C和14C的准确度和精度。
图12为密封参考池的示意图，这些密封参考池由分析仪器参考池、外部主要或全球参考池和针对13CO2606、14CO2608以及13CO2和14CO2的混合物607的星载609参考池组成。包括一套全球标准(其它实验室为其获得数据)的针对14CO2的密封参考标准的范围可从比率为100％的现代14CO2600、至比率为0.5％的现代601至比率为0％的现代602。针对13CO2的密封参考池可由-25‰603、-5.00‰604和+10‰605的13C同位素比率组成。每个主要或全球密封参考池的制造应便于针对特定同位素组成的所有密封池(610,611,612)均相同，从而确保对集合中和可设置分析仪的整个集合中的分析仪进行比较。
图13为根据采用三个激光系统、检测系统以及参考和标准硬件的某些实施例的用于12C、13C和14C测量的三池激光系统的示意图。
图14为根据样品体积增加或减少以便将校准曲线、主要参考和外部卫星参考用于气体样品的12C/13C和14C组成的最佳测量的需要的三池系统的样品操作序列的一个实施例的示意图。气体样品300进入确定12C、13C和14C的浓度的分析仪301。如果13CO2和/或14CO2的浓度过低302，则可使用将低温阱(参见图10)来浓缩这些种类(species)或如果该浓度对于最佳测量过高302，则采用波纹管组件(参见图11)来用载气稀释原始样品。在调节样品大小后，选择用于14C 303和13C 308的校准曲线，以确保未知的样品浓度在校准曲线的范围内。另外，可测量主要参考气体，以检验14C测量304和13C测量309的功能。主要参考气体304、309优选地包含在分析仪的密封池中，并表示所有分析仪的所有这种主要参考池中的相同浓度的13C和14C，以便确保对各个分析仪和不同组分析仪之间进行比较。对分析仪功能和可比性的附加检验可通过采用用于14C 305和13C 310的外部参考池的进一步测量来进行。305和310理论上均位于外部参考气体模块中，外部参考气体模块不用于分析未知数，可通过遥测实时访问并可位于设置分析仪集合的一个或多个区域。作为外部密封池参考气体的305和306对于每个同位素种类理论上均相同，并优选地已在世界各地的许多实验室中测量，因此包括全球参考气体，该气体可使其它数据集与采用多同位素分析仪得到的数据集直接相关。这样的外部全球参考气体的比较为确保所有这种仪器的可比性提供了附加标准和/或可用于利用所述参考气体的已知值对数据集进行调节。另外，外部参考气体的比较可通过卫星操作13C 311和14C 306的所述密封参考气体来进行，使得在卫星的传感器光束穿过一个或多个多同位素分析仪时，可对陆基分析仪和空基传感器进行直接比较。将样品气体从分析仪中排出307、312或对其重新设定路径，以反复进行分析。反复分析可能有利于进一步表征13C和14C的结果，从而可收集统计数据，以更好地确定分析仪的精确度和精度。
图15为根据单个装置100、具有参考池和遥测天线的装置102、所选装置的阵列103以及具有相互比较和相互可比性选项的所选装置的阵列104的某些实施例并参考外部主要参考(PR)标准105来示出仪器、位置和仪器相互比较概述和组织的图示。附加外部标准也可并入到所需的分析设计中，以确保整个仪器和集合的可比性。
图16为示出互校准(inter calibrated)装置的阵列的实施例的图示，这些互校准装置覆盖特定地理区域105、通过卫星或其它无线装置106、107将每个装置的互校准数据传输至中央数据和模型分析中心108。
图17为示出覆盖地球的三个地理区域(L1,L2,L3)的互校准装置的集合900的实施例的图示。三个集合由9个单独的分析仪构成，这些分析仪采用互校准程序(参见图14)、所选的单独的参考气体901、主要参考气体和/或全球参考气体(参见图14)902在一个集合和跨集合中被互校准，并可选地包括在单独的参考气体模块中和可选地包括在如用于从太空测量和监测温室气体的卫星908中。数据遥测可通过任何无线装置904(包括通信卫星903)进行。903将来自互校准分析仪900的实时数据以及参考和/或全球参考池数据901、902传达至数据中心和碳交易所906，要意识到参考池901、902根据与这些分析仪、校准程序和互校准程序相关的技术因素可具有所需的相同或不同13C和14C组成(参见图12)。在一个实施例中，对于电子实时碳交易平台906，这种数据和通信为准瞬时。也可将来自分析仪的数据与来自太空的感测温室气体的卫星数据进行比较907，从而对这种数据进行额外的核查。
图18示出了根据某些实施例的数据/模型中心109的图，所述数据/模型中心以指定聚合水平110、111为指定区域产生集成模型输出。这致使数据转换成碳交易单位(如，公吨CO2)而发送至适当的基于碳的交易所112、113。这些数据可根据表示的碳类型，诸如生物源碳(例如，森林碳)对基于碳的工业化石燃料，并根据特定交易所的交易协议在实时市场(例如，瞬时)中或在较不频繁地被访问。
图19示出了用于给定地理区域401、给定时间段402的各系统的系统的主要部件工序的汇总图，具有仪器400和分析仪测量的样品数据406、分析仪组或集合400和数据集合406、共用校准和互校准协议403、全球参考协议404和外部星基标准405。所有数据均通过无线或其它遥测装置407传输至数据中心，数据中心管理数据并将数据408并入一个或多个模型409中，最后将这些模式转换成公吨的源于生物源或化石燃料的碳410。这样的单位可被登记和行政处理411，以在适当的温室气体交易所、平台等412中出售。
图20示出了产生来自分析仪804、805、806和807(面板B)的13C数据集(面板A)801的互校准结构的实例。分析仪804、805、806和807位于分立位置(面板C)。分析仪804、805、806和807也可与任选的外部参考和/或全球参考气体模块809集成，以确保整个仪器在时间和空间内的可比性。
图21示出了SCADA通信和网络结构的实例，该结构用于自单独或分组的同位素分析仪的数据传输、与可选的外部主要参考标准进行比较、通过主控主机收集这种数据并随后传输至碳交易所。
图22示出了假设的部分碳预算、其嵌套结构(面板A)和进行双碳核算的示例性模型结果(面板B)。
图23示出了根据季节使用各系统的系统来测量、报告、核查并提供2.5年期间置于森林中的装置阵列的碳交换的实例。示出了CO2总浓度的假想碳通量、13CO2和14CO2比率。
图24示出了使用各系统的系统来测量、报告、核查并提供整个美国大陆的碳交换的实例。任选的外部主要参考标准可根据州、区域和大陆的报告目标采用。
图25示出了使用各系统的系统来为缅因州测量、报告、核查并提供碳排放数据的实例。根据需要可采用任选的主要参考标准。
图26示出了使用各系统的系统来测量、报告、核查并提供用于区域温室气体倡议(Regional Greenhouse Initiative(RGGI))的碳交换的实例，包括康涅狄格州、特拉华州、缅因州、马里兰州、马萨诸塞州、新罕布什尔州、新泽西州、纽约州、罗德岛州和佛蒙特州。根据需要可采用任选的外部参考标准。
图27示出了使用各系统的系统来测量、报告、核查并提供用于中西部温室气体减排协议(Midwest Greenhouse Gas Accord(2009))的碳交换的实例，包括爱荷华州、伊利诺斯州、堪萨斯州、马尼托巴省(加拿大)、密歇根州、明尼苏达州和威斯康星州。根据需要可采用任选的外部参考标准。
图28示出了使用各系统的系统来测量、报告、核查并提供用于西部气候倡议(Western Climate Initiative)的碳交换的实例，包括华盛顿州、俄勒冈州、加利福尼亚州、蒙大拿州、犹他州、亚利桑那州、新墨西哥州、不列颠哥伦比亚省(加拿大)、马尼托巴省(加拿大)、安大略省(加拿大)和魁北克省(加拿大)。根据需要可采用任选的外部参考标准。
图29示出了使用各系统的系统来测量、报告、核查并提供用于欧盟交换交易计划(European Union Exchange Trading Scheme)的碳交换的实例，包括的国家为奥地利、比利时、捷克共和国、爱沙尼亚、法国、匈牙利、德国、希腊、爱尔兰、意大利、拉脱维亚、立陶宛、卢森堡、马耳他、荷兰、波兰、斯洛伐克、斯洛文尼亚、西班牙、瑞典、英国、挪威、冰岛和列支敦士登。根据需要可采用任选的外部参考标准。
图30示出了使用各系统的系统来测量、报告、核查并提供用于土壤碳排放的碳交换的实例。根据需要可采用任选的外部参考标准。
图31示出了使用各系统的系统来测量、报告、核查并提供用于农业活动的碳交换的实例。根据需要可采用任选的外部参考标准。
图32示出了使用各系统的系统来测量、报告、核查并提供碳交换用于海洋交换的碳交换的实例。根据需要可采用任选的外部参考标准。
图33示出了使用各系统的系统来测量、报告、核查并提供用于以美国纽约州纽约市为代表的城市范围碳交换的实例。根据需要可采用任选的外部参考标准。
图34示出了各使用系统的系统来测量、报告、核查并提供用于CO2封存项目的碳交换的实例。根据需要可采用任选的外部参考标准。
图35示出了使用系统的系统来测量、报告、核查并提供烟气的碳交换的实例。根据需要可采用任选的外部参考标准。
具体实施方式
未满足长期以来对直接测量和监测碳排放的公认需要
目前，气态二氧化碳的碳排放主要通过多种二级数据(包括，燃料燃烧量、燃烧效率和经济数据)来估算。《联合国气候变化框架公约》(United Nations FrameworkConvention on Climate Change)要求的碳库存本身已被报告，并且基本上未进行核查(Ellerman和Joskow，2008)。大气环境中二氧化碳总量的实际测量由多位利益相关者进行，但未反映排放来源或类型，并且可能不与来源和量级(例如，海洋、森林、工业、碳捕获与储存)不同的各个CO2来源直接相关。实际上，未在符合法规的京都议定书前期设想将排放数据整合来支持金融市场所需的监测水平和适当的技术水平。欧盟排放交易计划(EuropeanUnion Emissions Trading Scheme)(Convery和Redman，2007)的简史已表明，未成功地满足直接测量、监测、报告、核查和货币化要求，这正如价格波动、设限难度以及排放通量估算值可高达总排放量(Kosovic,2008)的10％且该值在次大陆范围和次年范围(例如，Turnbull等，2006)时可能更高的认识所证实。此外，京都协议未设计用于将来自天然源(如，世界森林和海洋)的碳通量与工业排放的碳通量合并，因为针对CO2通量的网络的测量、监测和报告不充分，所述网络需要表示生态系统功能的诊断性碳种类。因此，即使长期以来已公认大型碳交换(如，森林中的碳封存)测量和监测的重要性和需要，但此系统并未到位。根据目前的操作协议，未将对由化石燃料燃烧或天然生物源导致的碳排放进行的直接测量用于加强条约规定或量化森林碳封存的潜力。
新兴碳市场的双方(例如，叫价(买方)和开价(卖方))需要对交易的碳实体进行量化，以使定价可信且获得市场支持，而同时需要全球型数据来评估碳市场作为对气候变化和生物圈性能不确定因素的响应的有效性(例如，Canadell等，2007；Raupach等，2007，USClimate Change Science Program 2007)。因此，有效的多尺度测量和监测会是一种核查“京都议定书”或其它协议、温室气体条约或公约(例如，区域温室气体倡议，2009年)规定的京都议定书承诺、整合跨整个景观区的碳预算以及将碳管理区域内的行星表面的碳通量量化的独立方式。然而，尽管此监测系统是长期以来的需要，并且其重要性已得到公认，但基于直接测量的可扩展的碳核算系统尚不可用。
稀有形式的碳满足测量和监测需要的潜力
稀有形式的碳(即，13C和14C)对于区别生物源与化石CO2很关键，然而由于难以进行迅速、可靠、可比较和经核查的测量而未广泛使用这些稀有形式的碳。稀有形式的碳根据其在CO2中的浓度并以这些形式经生物和物理过程分离的方式来诊断(Keeling 1979；Graven等，2009)。一种对遍布于行星环境(例如，全球实地现场)中的稀有形式的碳进行可靠和可比较的测量的方式将通过时间和空间为定量碳度量指标提供基础，并为碳定价和交易提供依据。
虽然CO2的浓度可高精度测量，且分布范围广泛(现以57个国家的252个站为代表)(WMO 2009；Peters等，2007)，但浓度测量不能单独地提供该温室气体的源与汇完全去卷积。因此，内在部分碳核算导致评估项目性能的所得预算、设限(用于限额与交易程序(capand trade routines))产生不确定性，而最终导致确定各市场的碳定价的不确定性。然而，生物圈和大气环境中所有二氧化碳动态所固有和嵌入的稀有形式的碳(特别是碳同位素)提供了识别特定二氧化碳源(如，来自化石燃料)的方式，并提供关于界定的景观区内自然碳循环的功能的数据。稀有形式的碳(如，13CO2和14CO2)的数据表示和数据率(例如，连续、每日、每周、每月)与CO2的浓度数据相比而言极小(Tans等，1996)；14CO2数据尤其受到限制。
尽管确定CO2的同位素异数体(13C、14C)可对相关碳源/汇项进行有用的限制(例如，Tans等，1996；Turnbull等，2010；Graven等，2009；Riley等，2008)，但基于碳同位素异数体的实际测量来测量、监测、报告、核查、核算和管理碳预算以及相关金融工具所需的可行的“各系统的系统”尚不可用。相反，同位素异数体通常通过使用不同仪表和方法在特定位置单独地获得。同位素异数体主要通过对烧瓶样品的分立单项分析来确定，烧瓶样品随后通过高真空磁式扇形同位素比质谱仪(IRMS)经大量成本和时间来分析(例如，Tans等，1996；Vaughn等，2010)。或者，就大气14CO2分析而言，这种分析根据样品大小和处理采用多种β-发射检测器和加速器质谱仪(AMS)来进行(例如，Stork等，1997；Tuniz 2001)。
对大气CO2中14C进行的直接、迅速(例如，根据需要其范围为次秒级数据至较长时间的数据)和广泛的测量将为化石燃料来源提供明确的定量数据。这种分析可与表示标准参考物质的国际公认标准相关(例如，Stuiver和Polach，1977)，以作为主要标准以及14CO2和13CO2的全球参考框架(Boaretto等，2002；Vaughn等，2010)。从苏斯效应(Seuss Effect)中反映的全球角度来看，可很好地理解大气环境中关于13CO2和14CO2的组成(Levin等，1989；1995；Keeling 1979)，然而广泛的14CO2分析将用于独立地核查多个尺度(特别是对跟踪指定区域的排放物至关重要的地方和区域尺寸)上的基于化石燃料的排放物(Turnbull等，2006)。稀有形式的碳的天然丰度的大的差异(例如，13C 1.1％；14C 10-10％)体现在所用的仪表、进行可靠测量的难度和每个种类的数据率中。高精度13C和14C测量的数据率或取样率(例如，每日或每秒的样品数量)与为CO2总浓度收集的数据相比而言相当小，从而导致测量太少，而不能支持碳交易。因此，尽管同位素测量是长期以来的需要且具有既定的科学有效性，但却没有一种方法或多个方法可基于其使碳排放数据与碳交易和碳管理直接相关的广泛分布的集成式分析仪。
因此，对13C和14C的重要同位素异数体具有直接、迅速、同时、多尺度和多同位素分析能力且可在现场连续或近乎连续地运行的系统将是一种测量、监测、报告、核查、核算和管理碳预算、碳交易和行星气候变化的高价值系统。迄今为止，还未将同位素数据用于测量或监测碳排放以进行碳交易或辅助当前的碳或相关温室气体金融工具的使用或评估是否符合规定性或自愿性排放框架，尽管对此系统有明确和公认的需要(UNFCC2009)。
根据劳伦斯·利弗莫尔国家实验室(Lawrence Livermore NationalLaboratory)进行的一项研究(Kosovic等，2008)，将燃料消耗和氧化效率(代表化石燃料CO2的主要来源)的不确定率估算为至少±10％。在2008年，交易的碳的美元进款额为1290亿美元，则不确定额可达到±129亿美元。因此，可减少经济不确定性的系统的系统将会对代表碳信用(carbon credit)买方和卖方的利益相关者极其有用，并使决策者和公众确信基于碳的交易系统会得到妥善管理，使其透明和稳定，并可免受欺诈。虽然现已广泛地认识到需要此各系统的系统来减少经济不确定性并用直接测量代替估算，但此系统尚未设计或运行。
碳预算
使用碳的同位素形式对碳预算进行去卷积
化石燃料排放物和由此导致的碳预算的变化是“京都议定书”机制(例如，IPCC2008)以及其它碳交易所和平台关注的焦点。其为欧盟和美国新兴自发市场(如，芝加哥气候交易所(Chicago Climate Exchange)(CCX2009))的碳交易和基于碳的金融工具的基础。如果没关于组分来源的信息，则难于构造碳预算。因为通常测量的CO2总量不会提供了来源或组分信息，显然上述稀有形式的碳的同位素数据会极其有用并对测量、监测、核查和核算化石燃料排放物很重要。
至于碳13，该同位素不能单独地区分化石燃料CO2与天然CO2，从而该同位素不能单独地确定任一者。用化石燃料CO2来稀释大气14CO2为人们所熟知和理解。图1(改编自Kosovic等，2008)示出了在1850年至2000年期间测量分别来源于树木年轮、冰芯和现代大气环境的14CO2(方形)、13CO2(实心圆)和大气CO2浓度(开放式小圆)的图。在该时期大气环境中14CO2的减少直接与化石燃料的增加有关，而化石燃料的增加与大气环境中增加的CO2浓度相关。14C的半衰期大约为5730年，从而使其成为化石CO2排放物的理想、直接和灵敏的示踪物。远自经过数百万年形成煤和天然气期间的自然衰变以来，化石燃料便不含有14C。因此，添加不含14C的化石燃料CO2强烈地稀释了现代14C本底，该本底由天然形成的14C(Libby等，1949)和原子弹释放的14C(Randerson等，2002)构成。也显示为减少的13CO2记录数据也与化石燃料记录数据相关，因为植物性化石燃料(例如，煤和天然气)耗尽关于大气环境的13C。测量大气环境中14CO2的浓度达到2‰(o/oo)的精度，便可在380ppm的本底内对约2ppm的化石燃料CO2进行模型计算，从而界定给定来源的化石燃料输出(Kosovic等，2008；Graven等，2009；Riley等，2008)。该图也清晰地示出了13C不能单独地区分化石燃料碳与生物源碳。
因此，意识到14C测量值和13C测量值与CO2总测量值相比而言很稀少，因此作为在有意义的空间尺度上核查化石燃料排放物和条约规定以进行管理和货币化的重要方法，具有合格的精度和灵敏度且针对13C和14C来实时有效地跟踪与化石燃料和生物源排放相关的同位素的设备和系统的系统是人们明确的需要和长期以来的追求。然而，此系统尚不可用或未运行。
采用13C和14C测量得到的值如图2所示。该图示出了如附图的详细说明所公布的碳13(Y轴)对碳14(X轴)的同位素比。据观察，现代C3型植物(表示大部分植物和树木)和化石燃料及其排放物就碳13比率(-20至-38‰，图2)而言几乎完全重叠。然而，14C数据通过-1000Δ14C‰(表示100％的化石燃料碳)至大约+50‰(表示现代本底14C)的范围明显地将现代来源与化石燃料来源区分开来。特别地，来源于煤的碳13的值与现代C3气体中13C的值极其相似，但14C比率显然不同。因为化石燃料来源不含有14C，因此分析时所有这些来源明确地含有0％14C或表示为-1000Δ14C‰。此外，可以看到工业燃料(包括，天然气和煤)的碳排放在一定程度上可根据13C而非14C来相互加以区分。在汽车产生的CO2的碳同位素比中，碳13比率也不同，但碳14比率相同，正如该图示出的化石和现代类别所示。因此，能够测量13C和14C组成的各系统的系统将会有利于确定可分析的任何气体流的化石和生物源组分。例如，对于宣传的生物源/化石燃料组合物(注意图2的菱形符号)而言，为发电设施日益授权的生物燃料共混组合物(Reddy等，2008)易于核查。因此，提供用于区分化石燃料CO2和天然源或生物源CO2的各系统的系统将会实现长期以来的迫切追求，即系统用于测量、监测、核查和核算化石燃料排放物以及这种排放物对自然生态系统的潜在影响。然而，此系统并不存在或目前尚未运行。
此外，可以看到，可采用13C和14C比率来识别涉及C4植物(O’Leary1998)(13C值的范围为-19至-11‰，图2)与C3植物(O’Leary 1998)的情况下的天然CO2来源。C4植物常见于以平原为代表的干燥和干旱地区以及其它无林区。此区别将有利于监测世界上的许多生态系统，在这些生态系统中，生物圈中与降雨量以及C3对C4组成变化相关的碳释放或吸收的证据可对预测区域性气候变化，包括碳为CO2汇或源的地区，反之亦然。然而，尽管监测碳吸收或释放中的这种变化的重要性得到了公认，但目前尚未使用直接测量这种变化的各系统的系统。
该图所示的一个附加特征涉及对碳排放影响的生态系统功能的评估。一个释放天然岩浆CO2且经过充分研究的著名地区-猛犸山(Mammoth Mountain)显示的数据(以开放式三角形表示)显然说明了具有自然生态系统功能的地区中与土壤CO2导致的树木死亡有关的土壤CO2。猛犸山的数据显然表明，用14C和13C数据来监测可能受捕集与储存地下CO2的大型项目释放CO2影响的生态系统功能是一种测量、监测、核查和核算待用于碳信用的这种排放物的有效和灵敏的方式。基于避免碳排放，碳捕获与储存广泛被视为一种管理煤基发电产生的导致碳信用的碳排放的方式(Zwaan和Gerlagh，2009，Friedmann 2007)，。然而，用于测量、监测、评估或提供的明确方式或用于这种碳捕获与储存项目的泄漏的预警系统尚不可用，尽管人们普遍认为迫切需要此系统(Ha-Duong和Loisel，2009)。因此，包含具有整合导致与基于碳的金融工具一致的数据的自然和工业/人为源碳通量的装置的各系统的系统将极其有用。尽管需要此系统来提高根据减碳技术(如，碳捕获与储存)对碳信用进行测量、监测、核查和核算的能力，但此系统尚不存在。
目前，气体收集和分析网络由政府实体(如，国家海洋和大气局(NOAA)和联邦科学与工业研究组织(CSIRO))来管理。各个团体(如，NOAA和CSIRO)进行13C和14C分析的地点是小的，为大约20个主要代表海洋取样地点的位置。例如，Turnbull等(2007)仅利用了两个位置的测量值来研究北美洲14CO2的变化。Turnbull等(2007)的数据结果显然表明，需要大幅增加14CO2的数据率来高度分辨碳排放。从而，政府机构的现行14CO2取样方案不足以提供可用于支持碳交易和相关市场的数据。
根据最新数据，不同同位素异数体的相对丰度的变化(大约10-4或0.1‰)对分析特别是13C的源和汇具有重要意义(Keeling 1958)。此外，在充分确定森林中CO2的大气环境-生态系统的交换的严格的现场研究中，例如，需要进行涡动相关(eddy covariance)测量(Saleska 2006；Gulden等，1996)。在这种情况下，需要分析次数接近1赫兹或更小的13CO2分析的极快响应时间和最小为0.1‰13C比率的精度来获得分立时间段和森林日周期内对多种系数因素的全生物学响应(Saleska等，2006)。因此，快速响应时间、稳定性和高精度也可用于需要CO2的森林交换的情况中。目前，如前所述，虽然森林被认为非常重要和有用，但由于测量和量化土壤和地上生物质中储存的森林碳通量的难度而未将森林列为“京都议定书”规定的补偿(例如，Saleska等，2006)。因此，能够在多个时标(包括极快的取样周期)时测量和量化森林碳通量以获得森林生物学响应中的精密尺度和日变化的各系统的系统对于向当前的“京都议定书”和允许将世界森林纳入碳管理和碳减排范例的其它公约或条约规定的森林碳信用提供基础将是重要的。
此外，也可采用可靠和经核查的森林通量核算来确定任何数量的自愿性交易(如，黄金标准(Gold Standard)及其它)中的碳交易价格和量(Hamilton等，2008)。未将森林14C通量监测用于碳交易平台或用作碳金融工具的基础。添加14C数据来测量、监测、核查和核算森林中的碳储存将为限制碳通量确定并指出森林吸收化石燃料排放物的程度提供附加标准，从而对森林进行评估，以减少这种排放物。因此，虽然森林碳过程的重要性和科学认识已充分确立，并且广泛测量、监测、核查和核算的需要已被公认为至关重要，但此各系统的系统尚未设计或运行。
用于碳排放确定的数据有限模型
目前，取得可靠碳通量的模型是数据有限的，因为如上所述，测量、监测、核查和核算碳同位素比率的广泛系统尚不可用。通常，将从地面站和卫星获得的大气CO2浓度测量值与大气环流模型整合，以推断称为示踪物输送逆转的过程中来自陆面的排放物。由于生态系统碳交换、季节性和复杂的大气环流使CO2具有高级自然变化，因此该方法仅使用CO2的浓度数据会存在内在的困难。
然而，碳排放(化石燃料碳或生物源碳通量导致的碳排放)的同位素组成可为分析提供表示给定区域(例如，空间范围，如平方米、平方英里等)和给定时间段(例如，时间定义，每日、每月、每季度)的唯一数据。分布在界定区域的多同位素分析仪的集合是各系统的系统的重要部件，该部件可为甚至具有自然变化大的CO2浓度的CO2的未知来源的提供数据。需要在一个或多个位置处直接测量的CO2、13CO2和14CO2总量的浓度数据，但仅采用该浓度数据不足以计算可用于碳交易和碳金融工具的碳通量数据。通常，连同数据来使用模型，以解释有关特征，并且在碳交易的情况下，需要作为界定地理区域的公吨碳或公吨碳当量所提供的最终结果。现已广泛地认识到由于缺乏大气CO2同位素组成的数据，一系列尺度范围内的碳预算在空间和时间分辨率上受到限制(Pacala等，2009；Tans等，1996)。
然而，尽管人们普遍认为模型由于缺乏同位素数据而严重受到限制，但为13C和14C提供增加的数据率的各系统的系统尚不可用。目前利用稀少的13C和14C数据的模型努力易于说明对碳交易进行严格和可靠的核算所需的模型的局限性。(例如，Kosovic 2008)。另外，13C和14C同位素分析仪的布置取决于多种因素，包括地形、植被、季节性和风型。如果没有可布置在多个布局位置下的区域中的各系统的系统，则不可对同位素传感器的战略布局进行评估。根据当前数据，同位素分析仪的布置应使得给定监测位置或区域的化石碳和生物源碳的添加在这些分析仪的检测极限内。因此，如果没有各系统的系统(目前不可用)，便不能实现为促进有效的测量、监测、核查和核算而对13C和14C进行的迅速同时的高精度分析。此外，也很显然的是，为了测量、监测、核查和核算人为源碳排放，应将取样站和分析仪集合设置在有大量排放的区域，如，可以其它方式表示(如，在碳捕获与储存的情况下视为封存)碳排放的城市、特定行业和广阔区域。由多个政府机构赞助的现有监测网络特别地未设计用于测量大型地方和区域来源的碳排放。选择政府赞助的这种取样位置来检测大尺度内(如，遍及海洋和大陆)的天然源和汇。因此，不适于将这种数据用来测量、监测、核查和核算人为源碳排放或用作碳信用的基础(例如，Vaughn等，2010)。
大气中生物源和化石CO2的同位素质量平衡和等效关系
确定给定位置的碳同位素异数体中的一种或两种本身不会为确定13C或14C中碳的总质量提供充足的数据，而最终碳交易需要上述总质量(以公吨碳计)。对有限的同位素数据进行的简单数值处理在科学文献中有充分的说明，但不足以满足碳交易的需要。相对于同位素标准提供了稀有形式的二氧化碳的测量值，并根据下列公式将这些测量值表示为δ比率：
对于13C同位素比率：δ13C(千分之‰)＝[(13/12C样品/13/12C标准)–1]×1000
对于14C同位素比率：d14C(千分之‰)＝[14/12C样品/14/12C标准)–1]×1000。
然而，人们普遍认为由于给定位置或区域内有限的13C和14C的空间和时间数据，使这种数据过少，从而不能支持碳交易的需要。以最简单的术语，并且正如本领域的技术人员所熟悉的同位素质量平衡方程(例如，Levin等，2003)，可采用下列质量平衡方程由测量的14CO2和CO2浓度来估算区域化石燃料CO2：
CO2测量＝CO2生物+CO2本底+CO2化石燃料；以及
CO2测量(δ14C测量+1000‰)＝CO2本底(δ14C本底+1000‰)+CO2生物(δ14C生物+1000‰)+CO2化石燃料(δ14C+1000‰)
在上述方程中，CO2测量为一个或多个给定位置处观测的CO2浓度；CO2本底表示参考清洁空气地点的CO2浓度(例如，Globalview 2006)；CO2生物为区域生物源组分；以及CO2化石燃料为测量区域的化石燃料组分。这些组分中以符号δ表示的14C/12C比率分别为δ14C测量、δ14C生物和δ14C化石燃料。Δ14C为与14C/12C比率的千分之(‰)偏差，上述比率根据国家标准局(NBS)针对衰变而修正的草酸标准活性来获得(Stuiver和Polach，1977)。
因此，求解CO2化石燃料可得出下列方程：
CO2化石燃料＝[CO2本底(δ14C本底–δ14C生物)–CO2测量(δ14C测量–δ14C生物)]/δ14C生物+1000‰
可为大气CO2的13C比率构建一个类似的方程组。另外，对于本领域的技术人员而言，已知有多种模型用于从时间和空间内的同位素数据计算总碳值，但这些模型的数据太有限，而不能提供待用于碳交易的足够信息，正如Kosovic等(2008)所强调的那样。Levin&Rodenbeck(2008)提供了通过收集表示两个位置和1985至2006期间的空气样品来测量的14C数据。Levin和Rodenbeck(2008)采用大气输送模型TM3(Heimann 1996)总结到，必须相对于化石燃料源排放物的变化趋势来核算14C的强烈年际变化，并需要来自大型观测网的高精度14C数据。此观测网在本文中公开。因此，尽管在模型群落内对大幅增加的14C数据有公认的需要，以满足“京都议定书”的测量、监测、核查和核算需要，但此各系统的系统尚未运行。
同样，科学文献提供了13C和14C以及相关模型的多种隔离测量情况，以说明多种环境，诸如森林(例如，Urbanski等，2008；Uchida 2008)、分立位置(例如，Lai等人，2006；Graven等人，2009)中的碳通量以及海洋碳通量(Randerson等，2002)。然而，这些研究通常不会产生进行碳交易的碳数据。另外，所利用的多种模型方法不会为地理上广泛的分立位置提供结果的比较依据。
因为没有这样的系统，提供大量同位素分析仪存在的困难得到公认，这些同位素分析仪位于与有关地区相关的网格中，并根据总所周知的标准产生比较数据。存在许多困难，如，现场型同位素仪表、连续数据收集、许多仪器的景观尺度覆盖范围和确保可位于任何位置的所有仪器的比较数据的方式等方面的内在困难。因此，将非常需要实现上述任务的此系统的系统来解决广泛碳交易提出的要求。
为大型模型提供同位素数据甚至比为上述有限模型提供数据存在更大的困难。必须为表示三维框架的界定区域和界定时间段严格地确定得出公吨碳的碳值所需的最终结果。本质上，大气环境的特征(如，混合条件和气象条件)必须与13C和14C同位素种类的实时通量匹配。例如，Peters等人(2007)描述了一种针对北美洲的大型三维模型方法，该方法将从不同位置的一组28,000次碳摩尔分数观测量出的每日CO2浓度与气象场驱动的大气输送模型以及CO2输送模型(Peters等，2007)结合。模型结果被公认为极其有用，但并不满足碳交易的需要，因为如前所述，CO2浓度数据未反映潜在碳源(例如，化石燃料CO2排放物与生物源CO2排放物)。实际上，该方法充分说明了CO2浓度数据与同位素数据的差异。
如前所述，目前针对碳同位素对大约100个位置进行了取样，其中约25个位置表示用于收集和分析14C的位置。另外，在几乎所有情况下，13C和14C分析并非实时、并非连续，通常这些分析也并非针对相同的空气样品来同时确定，从而产生潜在误差。适当模型的附加实例包括可用于大气中尺度气象应用的MM5模型(Grell等，1995)、表示大型陆面模型的LSM1模型(Bonan 1996)、表示数百米区域的TAPM大气模型(Hurely等，2005)和也用于数百米内大气映射的bLs模型(Flesch 2004)。Riley等(2008)的著作提供了确定化石燃料排放物所需的13C和14C分析范围的实例。在该著作中，假设空气样品的直接测量中未进行14C分析，Riley等(2008)将植物样品用作大气14C的代替物，这些植物样品表示整个CA的128个地点的植物。采用加速器质谱仪来分析植物样品，以确定14C含量。Riley等(2008)根据其测量总结到，在加利福尼亚州，来自大型来源的化石燃料CO2流主要位于南部，而非通常认为的东部。因此，该著作针对全州范围的排放规定(如，California AB32(ARB 2010)法规界定的规定)和较大区域性排放模型的发展明确地指出了14CO2测量的重要性。Riley等(2008)使用植物样品代替对整个空气样品进行分析强调了对大量增加14CO2测量的需要。然而，如上所述，尽管公认地需要具有足够空间和时间覆盖范围且可在许多尺度范围内用于多个模型中的同位素数据，收集同位素数据来满足模型需要的各系统的系统尚不可用。
因此，可设置在多个位置(例如，数千个)并可连续进行13C和14C同时测量而与采用气象和景观尺度生态系统数据的3D模型进行联接的各系统的系统将非常可取，并可极大地增强人们对化石燃料相关的排放物和生物源碳排放的碳预算以及许多尺度范围内(范围为从点源到城市、各州和区域)的循环的了解。尽管此各系统的系统的重要性明确得到了公认，且是长期以来的追求，但此系统并不存在，因为测量同位素比率的现有方法及其在适合进行碳交易的框架中的使用方面存在内在的困难。
碳同位素异数体的基于激光的分析
CO2和所关注的其它温室气体(包括N2O和CH4)的同位素比率传统上通过磁式扇形同位素比质谱仪(IRMS)来测量。这些仪器采用机械双进气口系统，需要对分立的纯气体进行高真空和精心的样品制备，并为CO2中的13C提供接近0.05‰的精度(Vaughn等，2010)。然而，磁式扇形装置不适用于现场测量所需的原位连续流动分析。生物圈中13C的天然丰度大约为总碳量的1.1％。另外，14C组成的测量通常需要也依赖于同位素特定的离子计数以及高真空和低样品处理量的放射分析或加速器质谱仪(AMS)设施(Boaretto等，2002)。正如本领域的技术人员所认识到的那样，14C的测量在技术上更为严格，因为其具有低天然丰度，即大约为CO2总量的1×10-12。在两种情况下，13C和14C的传统分析方案难以实施，因为同位素分馏可易于发生在样品收集至样品分析之间的气体操纵期间(Werner&Brand 2001)，从而遮蔽原来的同位素信号。由于温度、压力、水蒸汽、仪器性能、仪器标准和通常为单个实验室所特有的其它内部因素的变化，可能发生同位素分馏。
鉴于充分混合的空气(由大约1.9ppm CO2和0.025‰13/12C组成)中的全球增长率和季节性同位素变化较小，则易于理解13C和14C比率的高精度需要(Vaughn等，2010)。可采用传统同位素比质谱仪使高精度的13C同位素比率达到+-0.01‰(1个标准偏差)的精度(Vaughn 2010)。对于14C，在化石燃料CO2中，大约2(例如，2.8)‰的变化表示大约1ppm的变化(例如，Riley等，2008)。因此，在14C测量中，大约2‰的当前精度足以识别化石燃料CO2的1ppm的变化。然而，以所需精度连续并同时分析13C和14C的现场可部署分析仪尚不可用。另外，用于13C和14C分析的样品在分析期间已损耗，而不能进行多次重新分析，这一缺点限制了可从相同样品的重复分析和/或较长的分析次数中获得的精度(Werner和Brand，2001)。因此，分析13C和14C的传统高精度方法从仪表的角度来说不适用于现场部署和快速分析，也不适用于协同使用大量分析仪来支持碳定价、碳交易和碳管理。此系统被认为极其有用并是长期以来的追求，但尚不可用。
一种避免同位素比质谱仪的多种上述缺点的方法为使用激光吸收光谱法。也可使用激光吸收光谱法来量化多种气体(包括CO2)的同位素异数体。在20世纪90年代早期，首次将激光吸收光谱法应用于CO2(Becker等，1992；Murnick和Peer，1994)。由于气体分子的振动转动跃迁的特定激发，基于激光的方法采用微调激光器而可行。因此，(例如)可使用对CO2的稀有种类的激光激发来探测和量化气体流中这种分子的浓度。图3示出了相关CO2同位素异数体和对应激光跃迁的频率和波长域(Freed 1990)。箭头表示了用于检测14CO2 101和13CO2 102的同位素异数体以及CO2(12CO2)103的最丰富形式的所选激光跃迁。使用基于激光的分析仪提供了采用含有标准气体的密封参考气体池的选择，其中这些标准气体可根据高精度重量分析气体制备由空气和CO2添加进行大量制备(例如，Amico di Meane等，2009)。这种密封参考气体池可用于大量多同位素分析仪中，从而为仪器之间的比较提供基础以及提供高度稳定性，并是启用各系统的系统的一个关键元件。然而，密封参考气体池的此用途尚未用于大量战略性设置的多同位素分析仪。正如密封CO2激光器(例如，LTGLasers Ontario,Canada)制备领域的技术人员可理解的那样，可实现大量的这种密封参考气体池。
迄今为止，已证明了多种基于激光的装置对CO2的最常见的同位素异数体(即，13C16O16O)的成功测量。据报道，脉冲量子级联激光器用于测量13CO2，其在理想的实验室条件下在20秒的平均时间内精度小于0.1o/oo(Tuzson等，2008)。据报道，2006年12月26日公布的、可商购获得的美国专利No.7,154,595公开的腔衰荡激光光谱技术通过使用PicarroG1101-I模型在10秒的平均时间内具有0.3‰的精度。Aerodyne Research Inc.,Billerica,Massachusetts提供了一种脉冲量子级联激光器，其在1秒的平均时间内具有0.2‰的精度。一种利用非光学测量方法(光电流法)的基于激光的系统公开于1995年2月28日公布的美国专利No.5,394,236、1998年7月21日公布的No.5,783,445、1998年10月6日公布的No.5,818,580、1999年1月26日公布的No.5,864,398中，该系统被报导在10秒的平均时间内的13C精度为0.1o/oo。因此，对于激光光谱技术领域的技术人员而言，确定13CO2比率可通过工业装置来实现，但这些工业装置目前不能达到所需精度(例如，<0.1‰)，并且不专门针对14CO2。
此外，上述系统(除提到的光电流法之外)依赖于激发的13C同位素异数体的光学检测方法，其中这种方法的精确度和精度受到限制。特别地，鉴于大气环境中14C的天然丰度为1×10-10％，针对13C的上述基于激光的装置由于检测局限性而不能检测到14C。上述13C系统未提出一种检测14C的方法或途径，也未结合14C系统与12C和13C系统。同时测量13C、14C和12C的多同位素分析仪具有明显的重要性，但目前不可用。另外，现在可用的这种基于激光的13C系统未配置有广为人知和广泛分布的13C密封气体参考池，并未连接在各系统的系统内，由此不能单独地使用运行的这种分析仪来确定碳通量并支持碳交易和碳金融工具。
迄今为止，用于确定连续流动条件下环境空气中14C的市售的基于激光的系统尚不存在。用常规仪表仅对真空烧瓶中收集的分立空气样品(范围为500cc至3升)(Vaughn等，2010)进行分析(例如，Tans等，1996)。然而，2009年11月10日公布的并由Murnick等在2008年描述的美国专利7,616,305中公开的系统提供了14C测量技术。US 7,616,305和Murnick等(2009)的教导以引用的方式并入本文，并为可行的14C实验室系统提供了基础。由Murnick公开于US 7,616,305中的系统表示一种由针对14CO2和12CO2的特定激光器构成的双池系统，但并未提出对空气中CO2的14C进行分析，而是对纯CO2的14C进行分析。报告了大约1％(10‰)的精度。Murnick等(2009)并未提出将校准曲线用于确定空气中的低浓度14CO2，也不用于采用全球参考材料来标准化，由于14CO2和具有变化的CO2浓度的相应激光信号的复杂特性，所有这些均需要对以Murnick等(2008)为主的实验者非显而易见的专用协议和方法。可易于理解测量14CO2存在的困难，鉴于其在大气环境中的天然丰度大约为所有碳的1×10-10％。既然未描述由集成于一个系统中的12CO2、13CO2和14CO2激光器构成的三池系统，也未设计对典型空气样品中的14CO2进行分析，则要求使用所述分析仪来分析与碳和生物源排放物相关的大气组成。
在确定两种同位素异数体(13C、14C)的情况下，样品的测量不能确保可将获得的数据用于确定可交易碳信用。根据生物源或化石燃料来源的碳信用确定需要具有常规、可重复和稳定的校准、互校准的多个分析仪和由仪器硬件、软件以及数据分析和综合支持的全球参考系统。因此，能够单独地测量同位素异数体中的一者或两者的仪器不足以可靠地提供可交易碳数据。需要如本文所述的各系统的系统方法来提供空间和时间框架，以收集、分析、核查指定区域和特定时间段内的碳通量数据并将该数据转换成公吨的化石或生物源的CO2。另外，不管检测系统是否可用，尚无通常可用于13C和14C基于激光的装置的使参考材料标准化的方法。因此，各系统的系统方法的支持碳交易的主要部件尚不可用。
稀有形式的碳的校准、互校准和全球标准化
通常，如前所述，通过从各个位置将空气收集在真空烧瓶中而获得的分立的测量值来得到碳的同位素异数体，并在分布广泛的位置处的少量实验室中对将这些同位素异数体进行分析。这种实验室保持内部标准和两种同位素异数体(13C和14C)的几套共用标准，这些标准主要允许不同位置处数据的相互比较和可比性。需要这种相互比较来构造同位素异数体的时间和空间趋势，然而各个实验室中分析步骤和标准编制的差异可引起同位素的精确度和精度发生变化，这可使大气CO2中的13C和14C的趋势不准确，并需要对数据集进行复杂的校正(例如，Masarie等，2001；Werner和Brand 2001；Rozanski 1991；Vaughn等，2010)。由于数据和位置的数量有限，13C标准程序的常规系统目前不能支持活跃的碳交易。另外，每个实验室中根据各个实验室规范和分析仪类型对这些标准的处理和分析导致的误差会使整个分析和数据库产生误差，这些误差由这种分析仪引起。IRMS的13C比率分析可受导致0.03‰潜在移动的17O和导致大约0.22‰移动的N2O影响(Vaughn等，2010)。整个实验室中13C数据的相互比较已表明，偏差最多高至目标精度10倍(Allison等，2002，2003)。差值可能是由于与CO2纯化有关的气体处理、与CO2分析有关的气体处理和/或多种同位素比质谱仪的具体操作而致。因此，内部用标准或共用标准不提供严格的跨仪器比较，这是需要位于多个位置的一个或多个仪器的数据时的要求。因此，通过多个广泛分布的分析仪对13C进行瞬时测量并可直接和瞬时地与共用标准比较的各系统的系统在监测、核查和核算13C变化方面将非常可取。然而，尽管具有高精度且可比较13C的网络是长期的目标，且此网络具有重要性，但此系统的系统尚不可用。将需要此各系统的系统来测量、监测、核查和核算与化石燃料碳不同的生物源碳，以进行与生物源碳通量(例如，森林碳封存)相关的碳交易，并用于将13C数据并入根据时间和空间来计算碳质量所需的适当的生态系统模型和气象模型中的这种数据要求。
因为14C的丰度远远小于上述13C的丰度(例如，1.1％的13C对10-10％的14C)，由此需要较小的样品和更复杂的仪表，所以需求14C标准和互校准的情况。在复杂的大型加速器质谱仪中分析小到0.5mg碳总量的样品，并且变化的14C组成的标准的要求中难以保持不含14C污染(Stork等，1997)。由于分析14CO2和维护AMS设施中的困难和花费，可将少量这种AMS设施用于高精度分析(例如，Boaretto等，2002)。在需要超过0％的14C的标准的情况下，正如化石燃料CO2中增加的现代14C分数的情况下，适当地处理气体来确保不发生分馏的技术需求非常高，并且迄今尚未将该技术需求引入本文所述的各系统的系统。同位素差值也可与样品浓缩(例如，CO2的低温隔离)、气体操纵以及石墨转换和分析期间的分馏相关(Werner和Brand 2001)。可对未知气体和不涉及用于AMS测量的上述样品浓缩和操纵的标准参考气体中的14C进行分析并易于被大量相关仪器参考的仪器法将非常可取并具有明显的重要性，但目前不可用。因此，正如13C的情况，能够单独地测量空气样品中14C组成的仪器不足以支持碳交易和碳金融工具。除了采用AMS方法来分析14C样品之外，由于每个样品的高成本(范围为每个样品$400至$600)，大量样品总体上会受抑制。14C连续现场分析仪可以相当低的成本进行数千次测量，并在AMS分析所需的时间部分内完成。
均由分布广泛的位置处的固定仪器提供的13C和14C标准化历史数据表明了维持具有可比较标准的全球网络存在着明确且不断的问题，部分原因是由于分析稀有形式的碳所需的花费和专有技术。因此，将基于传统同位素分析和固有误差的此网络应用于针对13C和14C以进行碳交易的这些系统中，这样的组合由于用于分析和维持全球可比的标准的仪器网络、仪表和方法的高成本和局限性而尚未组装且不能组装。因此，尽管此系统的需求和价值已得到公认，但支持碳交易和相关碳金融工具的各系统的系统尚不存在。
如上所述，迄今为止，在一个仪器中结合来测量和监测13C和14C的系统的实验或商业系统尚不存在。特别地，WO99/42814未涉及一种采用了与共用标准和全球参考标准相关联的多个分析仪的各系统的系统，其中该系统的系统可用于计算以可交易单位(如，生物源和化石碳通量的公吨C)计的碳。还应注意，未充分详细地描述采用基于激光的方法的14C分析技术，该技术可使本领域的技术人员构造此分析仪。WO 99/42814中尚未核算大气环境中低浓度的14CO2(CO2总量的10-10％)，该专利关于分析这种小量(相对于13C的天然丰度为因子10-9)的方法。WO 99/42814参考US 5,394,236。然而，此参考涉及一种用于确定13C而不适用于14C确定的基于激光的装置。13C为CO2总量的约1.1％，从而为其分析提供了易得的方案。因此，WO 99/42814不具有所述14C分析仪。此外，未将这种13C和14C分析仪应用于利用集成部件的各系统的系统，这些集成部件会产生碳可交易单位。WO 99/42814主要提出了13C和14C的组合分析，但未延伸至分析阶段的范围之外。如下所述，仅采用13C和14C同位素比率不足以产生以在碳金融平台上进行交易的碳信用。
重要的是，尽管是长期以来的需要，但已意识到将WO 99/42814中描述的系统作为一种实际或商业系统来实施特别困难，这是因为根据不同的应用出现了不同的标准。例如，不能将WO 99/42814的教导实施用于测量和监测海水的碳通量，因为必须将碳气体从水中气提出来，这既未描述，又未提出。证明其它应用(如，测量和监测森林、农业区、土壤等中的碳)存在困难，因为适当的数据取样率连同适当的测量空间密度既未描述，又未提出，并且不易于辨别。
碳交易
碳交易和碳金融工具
目前，基于碳的金融工具集中于碳的标准单位，其表示为公吨(1.1短吨)的CO2当量(mtCO2e)(IPCC 2008)。然而，未实现对CO2的通量(表示为公吨)进行直接测量。另外，在通过由给定项目实现的温室气体(GHG)排放的减排、避免或封存来产生补偿的情况下，将碳(表示为公吨)数据用于形成碳补偿。然而，未实现确定实际产生的mtCO2e排放量的直接测量或通过直接测量来确定排放减少或避免情况下(在补偿情况下)无排放。在一个给定位置或多个位置(包括贸易团体，诸如欧盟排放交易计划(European Union Emission TradingScheme))，根据燃料消耗量(和/或先前水平的减排)来估算CO2排放量(IPCC 2008)。因此，在缺乏实际测量的情况下，不确定性为未知，这表示量化排放量的方法中存在致命的问题；小源项误差传播到下游过程误差并将其放大，诸如基于碳的金融工具及其衍生形式的定价。不确定性减少仅可通过对区域或交易区的整个景观区进行精度测量来实现。目前，尚无采用用于稀有形式的碳的多同位素装置的这种区域测量站，以用于减少基于碳的金融工具的不确定性。因此，采用运用广泛的多地理系统来测量、报告及核查碳排放(减排)将非常可取，这些碳排放中的CO2和相关温室气体在整个交易景观区(与大陆等大)内类似。减少基于碳的仪器的不确定性的此系统目前不可用。
同样，现有的国内和国际碳交易所(例如，芝加哥气候交易所(CCX)，www.chicagoclimatex.com；欧洲温室气体排放交易体系(EUETS)，www.ec.eurpa.ed)未规定生物源或化石形式的碳数据，也未规定支持基于碳的金融工具所需的直接测量。CCX根据估算的GHG排放封存、破坏或减排向合格项目的所有者或集成商发出可交易碳金融工具(Carbon Financial)合同。所有CCX补偿均在追溯的基础上发出，其中将CFI的制造年代应用于进行GHG减排的项目年份。项目必须由CCX批准的核查员经第三方核查。然后，金融业监管局(Financial Industry Regulatory Authority)(FINRA，原名为NASD)检查所有核查报告的完整性。补偿项目可由会员(Members)、补偿供应商(Offset Providers)和补偿集成商(Offset Aggregators)登记。仅当具有大量GHG排放的实体已向《芝加哥气候交易所减排时间表》(CCX Emission Reduction Schedule)承诺将减少其自身的排放时，才有资格提交补偿项目建议书，因为CCX会员(Members CCX)已为发出下列类型的CFI合同建立了标准化规则，包括甲烷(农业、煤矿、填埋)、土壤碳(农业、牧场管理)、林业、再生能源和臭氧耗尽物质销毁。然而，在所有碳排放/减排情况中，CCX或第三方核查员未将CO2排放补偿的直接测量值作为CO2总量或CO2(例如，13C、14C)的相关同位素异数体(CCX,www.ccx.com)。缺乏测量会引起未知程度的不确定性和误差，这一复杂情况可影响碳定价、市场动态，并便于欺诈。
在土壤碳的情况下，将CCX标准提供作为根据地理位置的每英亩CO2的标准补偿。例如，土壤碳补偿以每年每英亩的基础发出(CCX,www.ccx.com)。补偿发出率取决于实施的区域。例如，可向伊利诺斯州登记的生产者发出比率为每年每英亩0.6公吨CO2的补偿，并且可向堪萨斯州中部的生产者发出发出比率为每年每英亩0.4公吨CO2的补偿。取不同的补偿发出率，以反映任何给定位置处土壤的碳封存能力不同。因此，对陆地地区的碳封存进行估算而未进行实际测量。对于碳土壤和生态系统动态领域的技术人员而言，此方法存在缺陷，并可能使碳封存估算中传播大的误差。来自位于森林中的仪器塔的数据(例如)清晰地显示了每年净碳通量的巨大差异，并强有力地表明了模拟森林及其它陆地生态系统的简单算法可能存在误差(例如，Urbankski等，2007)。同样，CCX列举的所有补偿项目未详细地规定测量、监测、报告或核查方法，并不需要对评估误差进行估算。因此，CCX与所有的主要碳交易所一样也未设定用于实际和直接测量、监测、报告及核查的标准。这些任务由使用各种估算程序的第三方核查员实施。稳定的同位素不用于核查目的，并且也不与一套国际全球标准相关，该标准可对来自不同大陆的一个州、多个州的不同区域的碳通量进行比较。因此，当前碳市场不是基于在指定交易区域内获取数据、参考信号以及空间和时间覆盖范围所需的仪器测量、标准和全球参考系统，而是以未知不确定性进行估算。因此，校正上述缺陷的系统的系统将非常可取，但尚不可用。
标准ASTM方法中14C的现有用途
将采用传统闪烁计数法和加速器质谱仪(AMS)经固体燃烧产生的固体和气体的14C比率用于ASTM D-6866(ASTM 2008)的情况下，以确定通过含量不同的生物基源材料(主要为植物生物质)制备的燃料和烟气的生物基含量(见图2，生物柴油共混物)。气体流分析基于收集在真空烧瓶中的气体的分立样品，并且不用于评估大规模的化石燃料供给量，但用于核查相对于规范的点源排放物的生物基含量。将％生物源材料和所得的CO2指定为碳中和，由此不能计入特定行业的碳排放限额(等，2007)。特别地，基于当前方法的13C和14C数据未采用针对13C和14C的连续分析或相关标准，将上述同位素一起进行测量，以便在任何位置进行的测量可相互比较，并使得可将测量值一致和准确地用于建立碳交易单位并为碳金融工具建立基础。因此，采用如本文所公开的多同位素分析仪进行的14C测量与针对14C的现有单个样品分析相比有根本性的提高，并增加了前述多同位素分析的价值。ASTM D-6866的使用提供了一种由本文所公开的教导详述的基础性方法。
因此，根据前述章节中提供的说明，规定了大气环境中同位素异数体的浓度之间的当量关系以及排放物或汇的货币化以进行碳交易并减少交易碳的单位的误差不确定性的仪表、标准和参考以及系统级报告和引用显然不可用。因此，仍然需要一种区别和量化碳预算构成部分的装置和一种使整个时间和空间尺度内的数据相互比较并参考行星碳管理和碳交易所需的全球参考系统内的所有测量值的装置。然而，根据同位素分析领域的技术人员的努力，但此各系统的系统目前不可用。
一种量化碳排放的附加方法基于采用多个光谱仪对CO2的空载测量。卫星活动，诸如轨道碳观测卫星(OCO)、温室气体观测卫星(GOSAT)和大气红外探测仪(AIRS)提供了不同的CO2测量值及其它温室气体的测量值(Pacala等，2009)。每个卫星均具有特定的遥感能力，并提供了测量化石燃料排放物的前景。然而，卫星途径在其在地球空间中运行时会覆盖小型传感器路径和区域。虽然卫星非常适合温室气体测量和监测，但根据针对任何给定位置、区域和给定时间段的要求，此数据不能支持待用于碳交易的详细排放清单，因为卫星根据指定的通道而非通过操纵通道向进行平稳数据收集的特定地点移动。此外，卫星系统的成本很高，并可能需要发射新卫星来返回有限年份的观测值(Pacala等，2009)。然而，卫星传感器数据与陆基观测值(如，来自多同位素分析仪阵列的那些，这些分析仪的互校准、参考协议和适当模型可确保化石CO2排放物的数据可靠)的结合将非常可取。
具有CO2传感器的卫星穿过可将地面数据和卫星数据进行交叉比较的多同位素分析仪阵列或集合这一布置将非常可取，并在为测量CO2排放物进行额外的第三方核查方面具有极大的价值。此外，集成式陆基和卫星测量程序也可提供额外的主参考密封池信号，以直接比较作为卫星有效载荷的一部分来携带的密封参考池与一套这种池中的陆基标准气体。因此，可确保卫星星载碳传感器与陆基碳同位素数据之间的相互比较有效。因此，虽然集成式陆基和星基程序将极其有用，并得到空基CO2测量系统领域的技术人员的如此确认，但这样的集成系统尚不可用。
本文描述的各系统的系统的各种实施例涉及这些困难，并提供了一种新方法，其应用与现有技术相比是独特的。
某些实施例提供了可用于从装置的不同空间阵列收集浓度和同位素数据(如，大气CO2同位素异数体，包括13C、14C和12C的浓度和同位素数据)的系统，所述装置根据共用校准程序、共用的主要和主参考数据和程序来实时报告数据并分析数据，从而将这种数据与不同模型方法结合，以反映给定空间和时间项目区的碳质量。将此推导的碳质量描述为公吨碳或当量，并由金融机构用于碳交易/或指导决策者。碳交易数据可通过高频率启动的实时金融交易或以可用于不连续碳金融交易的较低频率和平均时间段来报告。在某些实施例中，本文所公开的系统对环境空气中的多同位素种类进行了同时测量，使得源(汇)项可识别、可量化并被确认为标准CO2排放量和补偿单位的同位素当量(如，公吨碳或公吨碳当量)。本文所公开的各系统的系统方法使用了用于给定地区的所有分析仪中的相同密封参考池，从而为所有分析仪位置和数据收集时间段提供可比较的碳数据。该能力的重要性可通过考虑构造碳预算的困难而无需通过关于部件来源的信息来理解，因为上述困难在基于估算而非实际测量的当前碳交易机制和方法中很明显。
各系统的系统
某些实施例提供了用于同时维持和报告多个同位素异数体的数据的系统的系统。图4示出了作为根据实施例的各系统的系统的部件的仪器包的框图。设备包括全天候外壳517、容纳一个或多个用于每个同位素异数体的激光器(包括(但不限于)13C激光器模块501、12C激光器模块502和14C激光器模块503)的光学模块500、冷却模块504、包含一个或多个用于每个同位素异数体的密封参考池507和一个或多个样品池508的样品模块505、标准参考气体模块509、电源模块510、具有遥测天线516的cpu和遥测模块515、包含一个或多个除水单元512和一个或多个颗粒去除单元513的样品预调节模块511和用作补充同位素数据所需的附加传感器的平台的模块514。
图5示出了对图4所示仪器包的示例性各系统的系统分析位置进行汇总的图。描述的典型位置为实例，并不排除其它样品位置。可将多同位素分析仪600应用于多个位置，包括：海洋表面上，以提取溶解于海水或其它水域中可原位提取并进入设备中的溶解海洋气体601(如，CO2)；城市内，以对工业(煤、天然气)和汽车CO2排放物602进行城市范围的测量和监测；这颗行星的敏感位置处的土壤大气中或土壤表面上606(如，碳含量高的高纬度土壤)，以进行取样，其中可将土壤气氛的大规模取样用作响应于高纬度地区表面变暖的土壤碳释放的“预警”系统；世界自然森林区605内，其中大量碳被阻滞在土壤、林木和叶片生物质内，这表示与全球变暖和森林管理相关的极大的潜在CO2汇或源；在农业环境中604，以测量农业区的碳通量，这些农业区根据农业方法、水文情势和施肥也可用作源或汇；和发电厂烟道和相关CO2封存项目的烟气中603，其中储存位置处化石燃料的泄漏对于储存工艺的有效管理和开发很关键。
参见图6，概括地说，一种典型系统利用泵30将样品气体混合物吸入系统2中。然后，将样品通过检测器，以测量所关注的种类4的总浓度。关注的种类的总浓度可经由红外气体分析仪4或以适于测量的配置和种类的任何其它方式来测量。
然后，将样品任选地通过预调节器7。预调节器进行下列操作中的一者或多者：去除颗粒，以清除样品中的颗粒；除去组分，以将一种或多种组分气体(即，可妨碍后期处理和检测的组分)从样品中除去；对所需种类进行浓缩；以及添加载体，以便于处理。在特别恶劣的环境中，可在样品路径的先前位置处采用颗粒过滤。
仍参见图6，该系统将样品转至一个或多个同位素比率分析仪24。分析仪检测希望的种类的预定同位素的浓度。分析仪可为任何常规同位素分析仪。一些实施例采用了一种小型而精密的基于激光的单元。例如，可采用调节用于发射具有适用于希望的种类的预定同位素的波长的辐射的激光器来将同位素种类激发成激发状态(见图3)。同时，激光器激发已知标准的同位素种类。可采用任何适合类型的检测器(如，光电二极管检测器或光电流检测器)来测量样品和标准物的激发能级，从而检测同位素的浓度。同位素比率通过将同位素种类的浓度与先前在路径中测量的种类总浓度进行比较来计算。
在一些实施例中，将一个或多个检测器、预调节器和同位素分析仪结合，从而可同时测量样品内的多个同位素比率。可将它们构造在多种系统结构中，其中一些单元为串联操作，其它单元为并联操作。参见图7，可采用一种预调节器模块36(如，可得自TeledyneInstruments的TAI型O2洗涤器，其含有提供无氧气体38的氧化铜和氧化铝)来洗涤掉入口空气流34中的氧气。参见图8，可采用气体选择性膜46(如，以Nafion名称出售的气体选择性膜)来除去入口气体流40中的水蒸汽，随后入口气体流可与载气50混合，并以气体56排出，以进行分析。参见图9，可采用低温阱82来浓缩CO2，在一些实施例中，步骤包括吸入入口气体64，根据需要与载气74混合，然后流向阱82，其中将液氮引入该阱，同时气体流量由4口2位流量切换阀76操作。在阱操作后，将浓缩气体引向出气口84，以进行分析。参见图10，低温阱由不锈钢管94构成，并在捕集后用电阻丝加热器106加热。阱位于杜瓦瓶112中，以容纳液氮，从而进行阱操作的冷冻循环。参见图11，当入口样品气体64的浓度过高而不能进行气体浓度分析仪4(图6)测量的有效和准确分析时，采用不锈钢波纹管83来降低该浓度。使入口样品进入闭合位置或压缩位置处的波纹管中，并关闭阀门78和80。随后，使波纹管膨胀，并通入载气74，以可通过稀释来获得气体分析仪4确定的目标浓度。随后，可使气体经由毛细管流或其它方式流向同位素比率分析仪24。
在一些实施例中，此处参见图6，该系统通过基于微处理器的数据采集和控制单元8(如，个人计算机)来控制。数据采集和控制单元控制该系统每个部分的操作、收集测量值、进行数据处理和数据汇总、储存数据并传输数据。也可将数据采集和控制单元连接至外部传感器，以便测量和监测该系统的外部条件(例如，天气条件，诸如温度、风向、风速、压力和湿度、全球定位系统确定的位置信息(诸如纬度和经度)以及基于水的单元的水温和盐度)和该系统的内部条件(例如，功率条件、温度、系统功能等)。所有这些信息均可通过无线电发射机传输至中央基站，上述中央基站可收集数据、监测系统操作并监测外部条件。在系统配置有连接至计算机的接收器时，基站可任选地将新程序传输至该系统。用于本领域的技术人员已熟知的无线通信以及仪器的远程操作的典型系统包括许多其它市售的通信和控制结构中的监控与数据采集系统(SCADA)(可得自(例如)Omega Engineering,Inc.(www.omega.com))。
最后，在空间和时间尺度上采用数据，并将这些数据与大气环境和生物圈的合适模型和/或耦合模型(提供模型施加量)相联系，以将在碳交易和交换情况下使碳货币化所需的时间和空间尺度内的碳通量整合。根据标准和参考，最终结果为独特的同位素表征碳排放单位，其中可量化大气CO2的生物源和化石燃料组分，由此在合适的温室气体和/或碳交易所中货币化。
在某些实施例中，该系统被设计为模块化、便携式和自持式。该系统可利用常规线路功率，但也可利用电池。如果利用电池，该系统也可通过太阳能电池阵列对电池进行充电，从而可进行远程操作。在一些实施例中，该系统容纳在防风雨外壳中，所述外壳还提供用于外部传感器、无线电天线和/或太阳能电池阵列的平台。
具体实施例
现将描述示例性非限制性实施例，以提供对所公开的各系统的系统和相关方法的整体认识。示例性实施例的一个或多个实例如图所示。在某些实施例中，各系统的系统被称为全球监控平台(GMP)，其表示适合封装和远程操作的现场可部署外壳中同位素仪器、传感器、标准、全球参考和数据遥测的独特组合。GMP具有译解部分和全球温室通量的能力，从而提供一种独特的方法来管理这颗行星的温室排放物，以有助于减少全球变暖带来的后果。在某些实施例中，将确定环境空气中CO2的12C、13C和14C组成的任何可用装置组合成模块化外形，并使之具有如下所述的样品处理和样品调节特征。另外，各系统的系统可采用针对任何气体的浓度和同位素组成的任何分析仪。
方法和各系统的系统的示例性实施例以图解的方式如图6至35所示。图6至14示出了用作各系统的系统的一个部件的分析仪的实施例，但该各系统的系统具有不同的分析部件和操作特征。图15至22描述了各系统的系统的附加操作和方法部件的实施例，其包括仪表阵列、仪器的校准和互校准、全球参考、系统结构和数据传输以及采用模型来产生部分碳预算情况下可直接上市的聚合数据的方法。参见图22，部分碳预算为反映局部地区、区域及其它地理限制地区的全球碳预算的子集。
该方法和各系统的系统采用装置的空间阵列中需要的1个至任何数量的装置，根据如图23至35所示的点、地方、国家和/或州边界和温室气体条约，将这些装置的空间阵列设置在图5中涉及的整个应用地区。在一个实施例中，事实上可将具有坚固和完全远程操作特征的设备设置在行星地球的任何陆地位置和任何水域位置和/或任何表面和任何大气空间中。该方法和各系统的系统根据空间分辨率(优选地每平方英里为1个装置至每4×5°的纬度/经度为1个装置)的需要或根据给定地点的特定环境和地质条件对装置进行布置，并且所述条件由各系统的系统的初始操作和测试来确定，以实现最佳功能来产生碳可交易结果。此外，某些实施例包括取样入口，其表示来自土柱、土壤和/或植被表面的空气和从表面上方延伸至任何结构(包括(但不限于)树干/树枝、建筑物、塔楼以及具有高度的结构)支撑的任何高度的垂直范围内的空气，并包含可得自飞机、气球或其它装置的样品。
一些实施例采用基于微处理器的数据采集和控制单元(示为图6的项8)，其能够获取和储存红外气体分析仪(IRGA)(示为图6的项4)和同位素比率分析仪(示为图6的项24)产生的数据。
校准和仪器互比较以及主要参考协议
如前所述，同位素组成的分析会产生表示为比率的数据，该数据最简单地表示为未知参考标准相对于已知参考标准的数据。针对稳定和放射成因同位素的比率法和适当标准已相当成熟，但不用于碳交易要求的情况下。然而，采用多个同位素分析仪时，单个和分组校准和互比较以及与全球参考的联系的关键问题成为前述艰难且耗费时间的努力，并被确认为实施各系统的系统以支持碳交易和碳管理面临的实质障碍。
然而，甚至随着基于激光器的连续流动式分析仪(如，本文所述的那些分析仪，例如充气同位素激光器和/或量子级联激光器)的出现，需要进行单个和多个仪器校准和互比较来获取可靠和可核查的碳排放数据，该数据可用于支持整个多个地理位置处的碳交易。在这种情况下，需将同位素数据用于产生整合的碳通量数据，根据不同位置处的分散分析仪，校准、互校准问题是实现碳交易不确定性显著减少的要求。
校准和互比较的假设包括下列情况：
1)密封池标准的指定δ13C是正确的，尤其在改变标准池时；
2)分析仪的响应大体上未随时间和在空间内相互不同；
3)将在时间和空间内用于给定分析仪或分析仪组的相应样品处理到纯度和预调节的标准水平；以及
4)系统的响应不依赖于空气源中关于同位素值、样品大小或流量和压力的差异。
5)监测各个仪器的性能并将其与仪器集合中的所有其它仪器比较，并且可采用与由分析仪和/或外部池内的附加参考池组成的主要参考的比较来校正性能问题(如，本底之上信号的基线漂移或核查)。通过在短暂和长期的操作使用期内提供极高的精度和极高的稳定性，使用容纳参考气体并可瞬时比较的密封池是该各系统的系统的一个重要特征。
采用具有最小气体处理能力的大致上连续流动环境空气的非IRMS方法的一个优点在于，减少或消除了分析仪之间的差异以及大部分气体处理问题。除了该改善之处，本文所公开的某些各系统的系统的另一个特征在于使用包含已知同位素组成的多个密封标准参考池(如图12所示)。设置在三池仪器中的这种密封参考池如图13所示(806、807、809)。在某些实施例中，密封参考池由长度大约为6cm且外径为0.5cm的单玻璃气瓶(例如，石英)组成，所述玻璃气瓶具有永久性密封硒化锌(ZnSe)端盖，以使激光不变地穿过该气瓶。玻璃气瓶参考池含有用于所有分析仪的相同标准或参考气体。在某些实施例中，用相同标准空气源来填充大量密封参考池，并使用玻璃喷灯或其它方式将所述参考池密封，以永久性地密封该气瓶(图12)。根据易于为CO2激光器制造(如，LTG Laser,Ontario,CA)领域的技术人员和标准气体制备领域的技术人员所知的协议，可将密封池填充有大量的平衡空气量。图12中描述和图13中采用的密封池实施例在其采用三种同位素系统(12C、13C、14C)方面很独特，并且有效地减少了前述不同实验室采用的标准气体制备中的难度差异且也将极大地减少噪音和仪器漂移。
然后，可通过导致高度校准的标准池的多个实验室来分析密封参考池气体。参见图12，其为示出了密封参考池的示意图，这些密封参考池由分析仪器参考池、外部主要或全球参考池和针对13CO2606、14CO2608以及13CO2和14CO2607的混合物的星载609参考池组成。包括一套全球标准(其它实验室为其获得数据)的针对14CO2的密封参考标准的范围可从分数为100％的现代14CO2600至分数为0.5％的现代601至分数为0％的现代602。针对13CO2的密封参考池可由-25‰603、-5.00‰604和+10‰605的13C同位素比率组成。每个主要或全球密封参考池的制造应使得针对特定同位素组成的所有密封池(610,611,612)均相同，从而确保对集合中和可设置分析仪的整个集合中的分析仪进行比较。可将这种的多个参考池布置成可进行反射以将激光束有效地引向所有池而提供瞬时基线和参考校准的线性阵列或任何布局。使用一个或多个密封参考池可使同位素比率的计算和精确度方式与双入口IRMS仪器采用的计算和精确方式类似。然而，将根据本文的某些实施例所述的密封参考池用于校准和互比较程序的框架内，所述程序在感兴趣的时间和空间尺度内是适当的。
参见图13，示出了采用三个激光器池(12C 800、13C 801和14C 802)的示意图。根据激光器的功率输入和输出、稳定性和调制，三个激光器的组合需要一种检测和优化每个激光器的平衡方法。三池系统是用于碳的所有三个种类的实施例的一个实例，然而可向各系统的系统配置针对任何同位素种类的任何同位素分析仪。下面将提供三池系统(图13)的操作详情。
参见图14，示出了一种典型操作程序的示意图，所述程序被编码成手动控制或远程通信控制的软件。将样品引入系统后，进行测量，以确定总CO2浓度和压力或者获取用于同位素13C和14C中每一者的初始数据，并将此数据输入数据控制软件。在CO2的总浓度或同位素种类(13C、14C)的浓度过大或过小的情况下，软件控制将指导操作，以增加或减少各个分析物，如图9、10和11中所提供的。一旦认为样品大小最适于测量，则可采用校准曲线和/或可与外部密封标准进行比较。下面将提供图14中描述的附加标准化使用详情。
各系统的系统用硬件结构
参见图15，提供了示出基本硬件部件的示意图，所述基本硬件部件由基础仪器100、具有密封参考池和遥测能力的基础仪器102、如102中的分析仪阵列103以及位于给定位置的分析仪阵列104组成，分析仪阵列104用于测量、监测、核查和核算碳排放，这部分地通过所有分析仪之间的瞬时通信来进行，以确保数据可比性。也可将具有(例如)主要参考标准的附加外部参考池并入分析仪阵列中，以提供一种确保所有分析仪的分析仪功能和数据可比性的附加方式。
参见图16，示出了位于给定位置的分析仪阵列，这种分析仪105之间具有通信，这使所有数据经由遥测或其它无线装置106传送至接收器(如，卫星107)，然后将数据传输至进行分析的中央数据站或数据中心108。
参见图17，提供了示出地理上不同的三个分析仪阵列900的示意图，所述分析仪阵列与外部参考密封池901仪器进行通信，外部参考密封池仪器可经由无线装置904对不同阵列中每个仪器的基线和校准数据进行瞬时比较和校正，然后可将这些基线和校准数据与主要参考902进行比较，所述主要参考与众所周知的针对13C和14C的国际标准(如，针对碳13比率的Vienna Peedee belemnite(VPDB)标准(Coplen等，2006)和针对14C的国家草酸标准局(例如，NBS OxII)(Scott等，2004))相关。在该实施例中，外部参考密封池901和主要标准密封池902均位于该区域，以服务于每个集合。将数据传输至数据中心，以与模型整合，并在(例如)一个实施例中用于支持温室气体交易所906中的实时交易。在另一个实施例中，可将作为密封池的参考标准封装在卫星908中，所述卫星在其穿过设置陆基集合的地理区时，可比较仪器集合的参考值。仍参见图17，专门配备有温室气体感测能力的卫星908在穿过设有分析仪集合的区域时，也可对陆基和卫星感测温室气体的浓度数据进行直接比较907。在另一个实施例中，参见图17，由卫星接收/传输的这种数据用于确保核查陆基分析仪或感测表面的温室气体浓度，可瞬时接收和传输这种数据，以在所有分析仪确保可比较的情况下来支持跨行星的实时碳交换交易活动906，从而以适合所有货币流通/兑换(与跨多个国家和股票交易以及货币流通的方式相同)的方式使这种数据货币化。
参见图18，示出了数据站109采用任何类型的软件和/或模型的示意图，所述数据站根据指定时间段为跨空间位置的任何分析仪集合或分析仪组110和111计算公吨的碳或碳当量，并向可能适合交易的任何位置处的碳交易所112、113提供这种数据。
图19示出了用于给定地理区域401、给定时间段402的子系统的系统的主要部件工序的汇总图、该各系统的系统具有仪器400和来自分析仪测量的样品的数据406、分析仪组或集合400和数据集合406、共用校准和互校准协议403、全球参考协议404和外部基于卫星的参考标准405。所有数据均通过无线或其它遥测装置407传输至管理数据并将其并入一个或多个模型409的数据中心408，最后将这些模型转换成公吨的生物源碳或化石燃料碳410。根据给定交易系统的规定，可将这种单位登记为信用额(credit)411，以在适当的温室气体交易所、平台412中出售。
图20(面板A)示出了针对13C/12C和14C/12C比率的假设的同位素数据，这些数据得自位于覆盖五个时间点的不同位置的四个仪器。用于由符号(方形、圆形、交叉影线的圆形和三角形)表示的四个仪器的数据如面板A所示，其中实线801连接具有类似趋势的数据，而虚线连接被确认为异常值3的数据802和80。根据某些实施例的软件控制协议的一个特征在于识别由每个仪器产生并由常规校准曲线、主要标准和外部标准识别(例如，图14)的异常数据。因此，在面板A中，尽管趋势线上方和下方的异常值(802和803)保留在适当的文件中，但需将其从相应数据流和主要仪器数据记录中排除。在一些实施例中，仪器(804、805、806、807)中的每一者也可指如图14所示的外部主要参考池809或可与卫星空基测量进行比较，卫星空基测量表示一种实时交叉校验数据结果的附加方法，并提供全球参考数据点。参见面板B，还可看到，在将这种数据质量和保证程序应用于阵列中的每个仪器804、805、806和807时，可设计软件程序来查询相对于任何其它仪器808(由每对装置之间的十字箭头表示)的每个仪器，从而核查正常功能并以另外的方式排除异常值或其它条件，在此期间不收集数据或登记故障。这种控制对于确保相互远离并位于不同环境(面板C)中的分析仪的可比性必不可少。因此，根据某些实施例，对于时间和空间的界定间隔而言，将阵列中所有仪器的所有异常数据从主要数据集中排除，从而产生有质量保证的网络或数据结构。可设置不合格数据，以触发预示该仪器运行不正常的报警器。用于仪器阵列的这种协议为根据设定协议对这种装置进行仪器控制和软件控制的领域的技术人员所熟知。例如，NationalInstrument Company,Austin,Texas(www.ni.com)提供了一种众所周知的仪器控制软件包，即Lab View(例如，型号8.6)，其可对仪器进行自定义数据采集、操纵和交互式控制，以实现复杂程序(如，上文描述的那些程序)。
通过下述高级无线控制协议可实时自动运行的该协议表示一种促进本文所公开的各系统的系统成功运行的互校准程序。注意在面板C中，四个仪器的位置使得来自这些位置的数据的任何组合可用于产生适于碳交易的聚合数据和结果。可采用表示一个或多个位置的分立位置数据来减少或增加空间足迹(footprint)或根据包括环境条件在内的其它因素来跟踪单个位置的迅速变化。可将互校准程序应用于位于世界各地的多个不同位置处以阵列布置的任何数量的装置以及不同的交易网络(如，此前应用的EU ETS和RGGI碳交易平台)中。然后，可将此网络或数据结构与适当的模型整合，以进一步聚合和插入数据，从而提供整个界定空间和时间域内的累积碳通量。因此，根据某些实施例的各系统的系统提供了自调节校准和互校准程序，从而以一种迄今尚未实施的方式来确保本文所公开的稀有形式的碳的数据可比性。
采用SCADA的用于数据通信和传输的系统结构
术语SCADA代表监控与数据采集系统。这种系统可易于从供应商(如，BentekSystems,Inc.,Alberta,Canada(www.scadalink.com))处商购获得。SCADA系统是一种常用的过程自动化系统，其用于从位于远程站点的传感器和仪器处收集数据，并在用于控制或监测目的中央站点处传输和显示该数据。在某些实施例中，参见图21，SCADA系统用于控制和监测得自本文所公开的同位素分析仪901的同位素数据。通常将所收集的数据在一个或多个主控SCADA主计算机902上显示，主控SCADA主计算机位于具有中间主计算机903的选项的中央站点或主站点，诸如可采用广泛分隔的同位素监测网络的局部区域。一种现实SCADA系统可监测和控制成百上千个输入/输出(I/O)点。本文所述的各系统的系统的典型SCADA应用将监测产生13C和14C同位素比率的同位素组成的装置、给定网络和所有网络中一个或多个装置的校准和数据传输。各个装置的各种软件和硬件特征以及装置网络中的通信通过采用模拟和数字信号来控制。
在利用远程地点和/或不同地点组的至少一些实施例中，采用了远程传感器和仪器与中央计算机之间的另一个设备层。该中间设备位于远程侧，并连接至传感器和现场仪器。装置传感器通常会具有数字或模拟I/O，并且这些信号不以可易于在长距离范围内通信的形式存在。采用中间设备来使传感器信号数字化，然后在使这些信号分包，以便这些信号可经由工业通信协议在长距离范围内数字传输至中央站点。SCADA领域的技术人员已熟知的、处理此该功能的典型设备为PLC(可编程逻辑控制器)和通常设置在相同的仪器箱中的RTU(远程终端单元)或RTU901。在某些实施例中，将跨一个或多个景观区的同位素分析仪被分类为配备有PLC的RTU901。RTU和PLC配备有适当的SCADA通信装置904。常见于工业中且为SCADA通信装置领域的技术人员所熟知的一种此SCADA装置为Bentek Systems,Inc.,ofAlberta,Canada出售的SCADALink 900-MB RTU/无线调制解调器启动的广域、远程、点到多点SCADA通信系统。这些装置采用事实标准工业数据通信协议(如，Modbus、AB-DF1和DNP3.0)来传输传感器数据，这均为通信协议领域的技术人员所熟知。典型的物理接口标准为Bel 202调制解调器、RS-485&RS-232，这也为接口标准领域的技术人员所熟知。
通常，SCADA系统由四个主要元件组成：
1.主终端单元(MTU)902
2.远程终端单元(RTU)901
3.通信设备904
4.SCADA软件
主终端单元902通常被定义为SCADA系统的主控器或中心，并位于操作者的中央控制设施。在图示实施例中，MTU表示监测、控制、接收和处理同位素分析仪产生的数据的主要控制和操作中心。MTU事实上启动与远程地点的所有通信，并与操作员通过界面联系。将来自远程现场装置的数据(13C、14C、CO2浓度数据、校准程序、报警条件等)发送至MTU，以进行处理、储存和/或发送至其它系统。例如，在这种情况下，MTU可将数据发送至位于这颗行星的任何位置处的区域碳交易平台。
如前所述，远程终端单元901通常被定义为SCADA系统内的通信卫星或节点，并位于远程站点；在这种情况下，表示跨景观区的各个同位素分析仪。RTU在存储器收集来自现场装置的每一者的数据，直到MTU 902发出发送命令(如，在给定时间段内从一个或多个现场同位素分析仪901或一个或多个中间数据收集地点903传输同位素数据的命令)。在一个实施例中，同位素分析仪可配备有微型计算机和可编程逻辑控制器(PLC)，其可在远程站点处发挥作用，而无需MTU的任何指示，并在本文中被视为RTU 901的一部分。另外，PLC可为模块化，并可扩展，以测量、监测和控制附加现场装置。因此，在这种情况下，在一个实施例中，多个RTU 901的区域集合将配备有PLC，以特别地测量和监测校准、互校准和参考程序，并也可允许一个或多个同位素分析仪的控制功能、现场条件记录、重编程能力和报警功能。从通信设备使用的协议接收数据流的中央处理器(CPU)位于RTU 901内。可打开协议(如，Modbus、传输控制协议和网际协议(TCP/IP)或专有封闭协议；所有上述协议为数据传输协议领域的技术人员所熟知。当RTU 901查看其嵌入协议的节点地址时，对数据进行解释，并且CPU指导待采取的指定动作。因此，可从控制任何数量的同位素分析仪的一个或多个主地点处执行所有功能。
在各种实施例中，设置SCADA系统网络或拓扑结构的方式可以变化，但每个系统依靠于MTU和RTU之间的不间断的双向通信。这可以各种方式来实现(例如，专用线、地下电缆、电话、无线电、调制解调器、微波天线、无线式/蜂窝905、卫星906或其它大气装置)，并且系统通常采用不止一种与远程站点通信的方式。这可包括拨号或专用音频级电话线、DSL(数字用户线路)、综合服务数字网络(ISDN)、电缆、光纤、Wi-Fi或其它宽带服务。本文所公开的各系统的系统可利用涵盖SCDA系统领域的技术人员已熟知的本地、区域和远程地点的所有通信系统。
一种典型的SCADA系统提供了允许操作员在该系统运行时使功能可视化的人机界面(HMI)907。因此，在本发明中，可视化可包括(但不限于)碳通量等值面、校准和互校准程序或简单地在给定时间段内由装置的给定阵列的生物源或工业源导致的公吨碳的碳通量数据。在某些实施例中，操作员也可使用HMI来改变设置点，查看临界条件告警和警报，并分析档案或当前数据趋势。自从Windows NT的出现后，可将HMI软件安装在PC硬件上，以作为运转的真实系统的可靠表示。全球HMI软件包包括Cimplicity(GE-Fanuc)、RSView(Rockwell Automation)、IFIX(Intellution)和InTouch(Wonderware)。大多数这些软件包使用用于报告和归档数据的标准数据操纵/显示工具，并与Microsoft Excel、Access和Word充分集成。也接受基于Web的技术。可将SCADA系统收集的数据发送至动态生成HTML页面的web服务器。然后，将这些页面发送至操作员地点的LAN系统或公布在因特网上。在图示实施例中，将MTU 902接收的数据用于生成与一个或多个碳交易平台915可兼容的碳通量数据。
概括地说，参见图21，多个同位素分析仪位于两个单独的位置908、909的区域中，这些分析仪均采用支持RTU 901仪器外壳内的PLC的仪器结构。在一个实施例中，具有RTU的每个分立位置配备有SCADA通信装置904。在另一个实施例中，足够靠近以相互接线的RTU910可采用单个SCADA单元来进行通信。在另一个实施例中，给定网络内的手持式计算机911也可通过无线或其它方式来监测数据。在涉及无线通信的另一个实施例中，也可包括得自Bentek Systems,Alberta,Canada的中继单元912、以及型号SCADALink SMX-900来增强最终传输至MTU 902的信号。在另一个实施例中，在数据传输至主要MTU 902之前，采用中间MTU 903来获取该数据。在另一个实施例中，采用可得自Bentek Systems,Alberta,andCanada的(例如)太阳能SCADA链接(Solar SCADA Link)可将太阳能SCADA通信单元913用于电气连接有限的遥远地区。数据通信可通过无线传输系统905或卫星906系统来实施。由主要MTU 902接收并在多个显示器中再现的数据包括(但不限于)人机界面(HMI)907内的碳通量等值面、图表、图和三维可视化。使用数学计算和模型而形成的适当的数据产品最终会产生碳通量数据(以公吨计)，从而将生物源和人为源/工业组分指定为给定空间和时间域的源或汇。将这种数据914加密，并传输至碳交易所915。将数据自动储存在多个现场和场外数据库916。
空间和时间同位素数据的模型聚合
13C和14C同位素组成的数据以及CO2浓度数据为多个模型提供了输入，这些模型范围包括分立的土壤碳模型、农业模型至覆盖更大尺度的模型，从本地地点、地区、大陆至全球模型。在使用模型来取得可用于交易目的的碳通量数据以及设计测量装置的取样地点和阵列时，考虑了同位素测量地点的密度、当地气象条件、测量时间段和模型本身的机理(mechanistic)基础之间的相互影响。
根据某些实施例，采用模型来插入从同位素测量装置的空间和时间阵列中获得的数据，从而为正在测量的区域和/或过程形成整合的通量数据(以公吨碳计)。在每个情况下，分立空间和时间域的碳通量表示全球碳预算情况下的部分碳预算。碳交易本质上由部分碳预算组成，并必须具有可接受的不确定性和预测能力的特征。因此，根据所述某些实施例的各系统的系统还包括方法以及相关的空间和时间域，以设计可用于支持碳交易并最终帮助对全球碳预算本身进行详细了解的各种部分碳预算。
其中整合的通量数据可用于碳交易的特定区域和/或过程的实例如图22至35所示。在每个情况中，可(例如)根据已出版作品采用特定模型来表明给定应用的功效。相关的碳模型包括Zobitz等在2008年公布的土壤模型；Urbanski等在2007年和Sott等在2004年公布的森林交换模型；Lloyd等在2001年、Levin等在2003年和Lai等在2006年公布的区域交换模型；West和Marland在2002年公布的农业碳循环模型；Kosovic等在2008年公布的化石燃料排放物模型；Matsumoto等在2004年公布的海洋碳循环模型；Venteris等在2006年公布的地质碳封存模型；以及Peters等在2007年公布的大陆尺度模型。虽然上述模型公开为示例性的，学术文献包含上述区域和适合数据处理来产生材料通量(以公吨计)的其它区域中的多个模型，碳交易所可将上述材料通量作为核查的碳单位。分析仪的每个集合可需要模型的特定组合，以产生所需结果，由此表示该各系统的系统的多个实施例的专用模型集成功能。
分立的各系统的系统的概述如图22所示，该图提供了具有不同尺度的框架，其范围包括全球预算400至陆地区域408的分立土壤预算403或海域407的分立海洋碳预算405。双向箭头表示两个方向的碳通量，正通量指排放到大气环境中的通量，并且向下或负通量指已封存的通量。实线箭头指化石/工业碳并且虚线箭头指生物源碳、天然碳的双箭头表图示示的系统的系统的最终结果，即大气环境中主要碳组分的双碳核算。参见图22，示出的所有框均表示集中于碳循环(人为源/工业409和天然407、408)的组分的相关预算。用于准确的部分碳预算的全球模型元素为大气输送406。垂直面和水平面中的大气输送可在较短时间段内迅速移动跨大空间尺度内的排放物并将其混合。碳排放物的移动过程和最终分散的此处理将对州和区域层面有用，以管理碳排放并使其货币化，如Riley等在2008年讨论的。
大规模努力(如，区域和大陆尺度)的实施例中的部分预算包括将“隐形框”或控制量设置在监测区域，并尽可能精确地跟踪跨边界的所有空气的移动以及同位素和二氧化碳的浓度。时间和空间上具有高分辨率的气象数据可适用于模型用途。该数据连同来自装置阵列的同位素数据可用于计算大型通量。Kosovic在2008年报告了此方法，并且该方法为大气输送模型领域的技术人员所熟知。跨景观区内测量点的密度将根据景观区的不均匀性、地形、设计标准以及所需分辨率和精确度而发生变化，并根据该各系统的系统的初始测试配置进行最优配置。
Riley等在2008年已报告了非常适用于如本文所公开的各系统的系统的模型方法的一个实例。在该研究中，分析了叶样品的14C含量，并由此利用化石燃料排放物，以再次估算大气14C，这表明采用当前技术对大气环境中的14C进行直接测量不可行。该研究结合了MM5和LSM1示踪物模型，以根据植物14C数据来推断加利福尼亚州的化石CO2排放物和移动。基于Grell等(1995)的工作的MM5模型包括通常用于天气预报以及大气动态、表面与大气环境耦合和污染物扩散的研究中的非静力地形跟随西格玛坐标中尺度气象模型。已将这些模型应用于在多个地带(包括地形复杂的地区和不均匀的土地覆盖)进行的多项研究中。用于模拟的物理包可见于Riley等(2008)的研究中，并为大气输送模型领域的技术人员所熟知。
Riley等(2008)的研究中采用的LSM1模型形成于Bonan(1996)之后，并为模拟生态系统和大气环境之间的CO2、H2O和能通量的“大叶(big-leaf)”陆面模型。Riley等(2008)将模拟辐射通量、动量、显热和潜热；地下能源和水通量；以及土壤、植物和大气环境之间的耦合CO2和H2交换的模块包括在内。将包括具有不同覆盖度的13种植物类型的28种陆面类型模型中模拟，如Riley等(2008)报导的。Riley报导已测试了两种模型MM5和LSM1的整合，并发现其可准确地预测所需通量。
Riley等(2008)将标准初始化程序用于MM5v3.5中，该程序将从NOAA国家环境预报中心(NCEP)的再分析数据中插入的初估场和边界条件场应用于外部计算网格中。该模型通过具有36km的水平分辨率的单域以及表面与5000Pa之间的18个垂直西格玛层来运行；所用的时间步长为108s，并且每隔两小时产生输出。将每两小时的模型输出用于分析中，该分析后以每小时、每季节或每年的周期进行整合或取平均值。由Riley等(2008)的工作产生的整合通量图如图22B所示，该通量图作为一种示例性和易得的模型方法，与各系统的系统一起使用，从而为不同的时间和空间尺度提供整合的通量数据。三维通量等高线采用36平方千米的模型分辨率来确定，其正好表示同位素分析仪阵列的一个实施例。
参见图22A，并意识到可以类似于Riley等(2008)报导的方式来处理所示部分预算中的每一者，所述部分预算401由所使用的简单实例中的部分预算409、402和403构成。根据本文的某些实施例所公开的各系统的系统为迄今已知的可确定嵌套的部分预算的唯一方法，可根据针对生物源和人为源/工业排放的实时高精度通量数据将所述部分预算整合至越来越大的预算中。继上一个部分预算实例后，表示陆地区域的部分预算401和408以及表示海域的部分预算404、405和407在给定时间段内与GB 400形成物料平衡，并且最终表示来自所有部分预算的充分混合的空气。因此，图22示出的简化的全球预算和部分预算表明，如本文所公开的各系统的系统提供了对跨不同时间和空间尺度内的碳通量进行量化的方式，所述时间和空间尺度与表示不同和分立位置以及碳预算动态的碳交易要求相匹配。
再参见图22B，可将表示时间和空间内的分立测量值的数据集转换成摩尔体积的已排放、减少或封存的碳。可处理模型数据，以覆盖主要城市(例如，农业区、荒野区和居住区)的碳通量，这些数据均表示部分预算。然后，可采用给定地理区的整组部分预算来组合(例如)整个州的碳预算。鉴于可以公吨的已排放、减少或封存的碳来表示部分预算中的每一者，则可直接采用这种数据来识别用于交易的碳信用(例如，碳信用表示通过封存得到的碳减排量或避免的碳)。向碳交易所(如，芝加哥气候交易所或欧盟排放交易计划)登记信用的程序为登记和出售碳信用领域的技术人员所熟知。该程序概括地说涉及识别可接受的碳交易领域(如，农业、填埋气、森林活动等)。满足该领域标准的项目向交易所提交申请书，其中涉及一系列详细描述该项目、位置和监测方法的文件。一旦获批，该项目便可建立基线条件，然后开始项目。根据如本文所述的各系统的系统方法进行监测。交易所报告监测时间段，随后进行核查和证明，然后将信用登记在交易所中，并上市出售。
然而，迄今尚未充分建立碳交易测量、监测及核查方法，由此缺乏一种统一的方法。相比之下，根据本文的某些实施例，加利福尼亚州的数据(例如)将由下列组成：
14C单位(公吨)：减少量+封存量–排放量
13C单位(公吨)：封存量–排放量
因此，首次可根据化石和生物源组分来界定碳交易的数据，并由于政策行动而提供数据来跟踪碳通量的管理。数据也可更详细地反映来源组分，并评估某些情况下的生态系统功能(如图2所示)。因此，根据某些实施例的各系统的系统整合了天然源和化石排放，并确定了来源组分和生态系统功能。
根据本文的某些实施例的各系统的系统提供了采用生物源和化石碳通量的双核算来产生有意义的碳信用的新方法，可根据与人为和我们生活的自然环境造成的碳排放直接相关的科学数据对所述碳信用进行定价和估值。
各系统的系统的分析仪的一般操作
在该方法和各系统的系统的一些实施例中，测量了气体混合物(如，如图6所示的来自任何来源的空气)中种类的浓度和该种类的同位素比率(例如，二氧化碳浓度和碳同位素比率)，将适当的数据写入装置的存储器中，然后传输至如图16、17和18所示的中央单元。参照图6，该系统的操作如下。将气体样品经由进气管2输入该系统。在另外的实施例中，可将入口管2连接至燃烧室，以提供固体的气体样品。可利用容纳该样品的室中的热电加热元件来形成此燃烧室或可利用质谱仪使用的常规燃烧室。
将气体样品经由泵30的操作而拉入并穿过系统。起初，测量了目标的气体的总浓度。在测量碳同位素的实施例中，IRGA 4提供了输入样品的CO2总浓度，而无需进行预处理或调节。在针对恶劣环境的附加实施例中，可增设预处理单元来除去水分、灰尘等。这可(例如)通过利用选择性膜除去本领域已知的不需要成分或利用本领域已知的化学洗涤器的过滤装置来实现。
然后，该系统将成分气体传送至一个或多个任选的预处理单元，以除去某些成分气体，并对有关气体或气体进行浓缩。例如，在确定碳同位素浓度的一些实施例中，同位素比率分析仪24能够提供碳同位素比率，但易受到样品内存在氧气的干扰。因此，在此前讨论的实施例(如图7、8和9所述)中，在样品气体进入同位素比率分析仪24之前，采用样品调节装置18至少将样品气体中的氧气除去。可通过增加样品内所需种类的浓度来进一步提高同位素比率分析仪24提供的测量精度。在针对CO2检测的一些实施例中，将浓度增加至1％或更高(按体积计)。另外，可通过向样品流中供给惰性载体来提高精度。再次结合某些CO2单位，将含有1％CO2的样品与纯氮或另一种惰性和非干扰性载气混合。因此，由表示(例如)12C、13C和14C的三个激光器池的同位素比率分析仪24提供的同位素比率测量可由样品调节装置18通过对所讨论的气体样品中的特定种类或多个种类进行浓缩并使用载气与一个或多个种类混合来提高。
然后，将输入样品传送至一个或多个同位素分析仪，以检测样品中所目标气体的各种同位素。同位素比率分析仪可利用任何装置来测量气体的同位素组成，但在一些实施例中，该系统利用了一种低质量、小功率的紧凑型装置。对于测量碳同位素的系统而言，一种此碳13同位素分析仪在美国专利No.5,394,236中提出。在附加实施例(例如，检测碳14的实施例)中，该系统针对希望的目标气体采用了发射能量以选择性地共振的相干光源。例如，测量同位素碳14会利用用于辐射样品的14CO2同位素激光器和含有目标气体(此处为碳14)的已知标准参考池。因此，可以美国专利No.5,394,236中提出的方式来进行比率测量，该专利的教导以引用的方式并入本文。在分析了13C和14C的情况下，必须使这两种同位素标准化为12C(碳的最丰富形式)。一旦完成分析，从该系统中抽出样品气体，并使其通常以远离输入区的方向进入环境中。
基础系统的变型可用。例如，通过将多个基础构建块与单个装置组合来检测附加种类和同位素可扩大基础系统。在这种情况下，利用了多个同位素比率分析仪24。每个分析仪24将检测样品中是否存在同位素种类。因为该系统在检测期间不会消耗样品，所以可能连续地设置多个检测器来随时接收样品。每个比率分析仪24可任选地包括预处理单元，以在同位素测量之前对样品进行处理。在该串行配置中，需注意，以确保预处理单元不会在分析之前将希望的目标气体除去。一种替代配置将利用分离器来将样品的一部分并行地发送至每个分析仪，从而使比率分析仪独立地运行。在各种配置中，可选择性地操作每个分析仪(即，在某时间仅测量某些同位素样品，以减少功耗)。
在某些实施例中，该系统被设计用于在远程位置处运行和/或经由安装在该系统外部的常规传感器来测量和监测附加外部条件(例如，温度、湿度、风向、时间、一般天气条件等)。此整个单元由数据采集和控制单元8控制。组合式13CO2和14CO2分析仪
CO2的同位素种类和数据率的简要概述如下面的表1所示。提供了当前技术和本文所公开技术的实施例的数据率的定义和估算，示出了由传统同位素比质谱法(IRMS)技术导致的同位素数据的缺乏以及采用本文所公开技术(全球监控平台(GMP))的实施例来大大增加数据率的前景。
本文所采用的稀有形式的二氧化碳包括13C16O2和14C16O2。也可将此处采用的多同位素方法应用于CO2的所有同位素异数体(包括12C18O16O、13C16O18O、12C17O2、12C18O2、13C18O2、14C18O2(Freed 1995、Bradley等，1986)中。虽然将大气CO2用作此处的一个实例，但可由任何来源产生和测量的任何气体(例如，土壤气体；密闭空间、实验室和实验设备或其它行星表面中产生的气体)均适用(图5)。这些气体中的一些可以包括(但不限于)：甲烷、一氧化二氮、分子氧、氢和氮、水蒸汽和一氧化碳。
根据某些实施例，参见图4，采用了GMP分析仪，其包括下列主要部件：三个波长调谐同位素CO2气体激光器501、502、503；RF电源510；CO2校准池507；空气样品池508；低压低流量气体处理硬件511；诊断和控制传感器514；用于样品制备的捕集和干燥部件511；多通道信号分析仪515；以及控制计算机和软件515。在示例实施例中，三个波长调谐同位素激光器由13C 501、12C 502和14C 503激光器组成。然而，可将任何其它波长调谐同位素激光器用于CO2的任何同位素异位体或任何其它相关的温室气体(如，N2O和CH4)。
可根据美国食品与药物管理局(FDA)的器械和辐射健康中心(CDRH)的要求将该仪器组装成1级激光系统，以涵盖14CO2激光器用14CO2气体的使用，即使在激光腔中含有的辐射量小于本底14C辐射量的情况下。该仪器将包括参考方法(例如，一个或多个参考气体池)，以校准多个单元之间的检测率，并使其相关，而这与其物理位置无关。在某些实施例中，需将外部和星基参考池以及向中央单元报告同位素数据和诊断信息的通信能力并入集成产品中。
在某些实施例中，GMP分析仪根据离子化等离子体体积内的特定波长激光能量的相互作用来测量大气环境中CO2的同位素组成。参见图13，这通过光电效应(OGE)引起等离子体介质的阻抗发生变化在利用光电效应的一个实施例中实现。检测为电压变化的阻抗变化可与关于激发光束的特定波长的特定同位素浓度相关。就GMP分析仪而言，12CO2、13CO2和14CO2气体激光器在波长被调谐到适当的波长时，可准确地检测12CO2、13CO2和14CO2同位素浓度及其比率。
再参见图13，根据某些实施例，GMP单元的基础配置由以下组成：同位素激光器(如，12C 800、13C801和14C802激光器)；反射镜(M1至M7)；调制14C激光器810的斩波器；三个激发用RF振荡器、检测用电路板以及激光单元800、801和802中包含的差分放大器板803、804、805；光电流(OGE)标准参考池806、807、809；具有可使12C、13C和14C激光束与样品气体相互作用的4个ZnSe窗口的OGE流动气体样品池808；由质量流量控制器811组成的样品气体干燥和处理硬件；Nafion过滤器820；干燥氮气罐或氮气发生器832；压力传感器813、814；样品在分析后以流动方式或批处理方式排出的干式泵823；残余气体分析仪812；用于流动池831、824的标准气体；四口机械开关阀819；单流量阀816、817、818；氧洗涤器821；颗粒过滤器822；自动切换气体歧管阀825；样品进口826；所有三个激光器中采用的定束流中心用压电电路所通向的主压电电路控制器827、数据采集板(DAQ)828、计算机模块(CPU)829、遥测系统和天线830以及电源833。
图13中所指的三池系统提供了将相互适当未对准的三个激光束，以防止从二级激光输出光学元件传播的背反射回到主激光腔中。这防止激光输出的不稳定性。虽然将本文所公开的个系统的系统的多个实施例用于同时测量稀有形式的碳，但该装置也可作为容纳相关传感器的平台。小型和轻型传感器(如，一氧化碳、氡、甲烷及其它微量气体用传感器)可进一步精炼用于区域碳预算的源和汇组分。一氧化碳是汽车排气的关键组分(例如，Levin等，2008)。甲烷可反映自然源和人为源(例如，Levin等，2008)。氡通常连同14C分析来使用(例如，Levin等，2008)。可设置在该单元上的其它装置包括(但不限于)用于位置信息的全球定位系统GPS、温度、相对湿度和雨量传感器。
激光器和光学元件
在某些实施例中，激光输出能量具有稳定的波长(线)，根据量子跃迁能量该波长与有关同位素一致。特定输出波长为10.51-10.70μm(12CO2)、11.06-11.26μm(13CO2)和11.8μm(14CO2)(Freed 1980)。实现了GMP单元中激光器的波长控制，例如针对每个激光器(图13，827)，采用PZT元件(压电陶瓷材料)的闭环反馈控制，从而改变激光腔长度。在一个实施例中，PZT元件通过THORLAB的MDT 691单通道压电传动器来控制。
在某些实施例中，将各个激光器的激光输出以分立频率进行斩波，以通过傅里叶变换法来区分OGE引发的输出信号变化。在一个配置中，14C和13C激光器的标称斩波频率为17Hz和25Hz。镀硅或铜反射镜将激光束引入OGE池中。将ZnSe用于OGE池窗口806、807、808和809。
检测池和样品制备
在某些实施例中，如图13所示，4个OGE检测池用于同位素检测系统中。密封池包含标准参考同位素12CO2组成806、13CO2标准参考池807、14C标准参考池809和样品流动池808。这些池采用大约3.5-4.0托的压力。样品气体池采用大约0.4sccm的流量。
OGE池的稳定性能涉及气体的湿度控制。对于标准参考池，这通过控制该池内的密封气体来实现。相比之下，样品气体处理系统包括气体干燥能力820(图13)。在利用充气同位素激光器和光电流检测法的一个实施例中，样品气体的水蒸汽含量公差小于该样品中1.5％的相对湿度。参见图13，OGE池中形成了气体体积中的等离子场，该等离子场被视为样品808和参考池(806、807、809)中的辉光放电，同时RF功率由激光器803、804和805中的RF驱动板以及数据采集板提供。
电子器件和控制装置
可将激光器操作领域的技术人员已熟知的成品部件用于气体压力用GMP单元813、814(图13)、流量测量与控制装置811(图13)、用于所有三个激光器(图13)的PZT元件控制装置827、电源、数据采集板803、804、805(图13)、温度控制装置以及软件和计算机829(图13)。这些部件的特征仅基于满足GMP单元的特定应用要求。
一个实施例中具有13C、12C和14C激光器的集成式激光系统因此将具有通过检测池传播并以分立频率进行斩波的三个同位素激光束。在一个实施例中，此集成系统也核算大气环境中14CO2同位素浓度对12CO2和13CO2浓度的相对值。大气由大约0.03％的CO2组成。13CO2大约占该0.03％中组成的1％。相比之下，14CO2大约占该0.03％中的1012分之一。目前，大气环境中1.18×10-12的14CO2浓度被称为1个现代水平浓度，并是14C水平的科学比较基础。在这种小量14CO2的检测中，14CO2需要的OGE信号增益比12CO2和13CO2高得多。因此，必须提供两个范围的检测、数据分析和数据汇总。然而，对于激光系统领域的技术人员而言，这个问题可通过适当地调节给定样品的激光功率、激光腔长度和数据采集时间段来克服，并可通过进行一系列控制有关感兴趣的因素的实验来确定。
同位素浓度的相对差的一个解决方案已在以引用的方式并入本文的美国专利申请公开US 2008/0129994中说明，其中显示了多道次将14CO2激光束穿过位于14CO2激光腔的驻波内的OGE池的配置。该设计说明已在公布的报告(Murnick等，2008)中证明检测极限达到10-15 14C/12C，这与加速器质谱仪(AMS)的检测极限类似。
已提到的同位素异数体的浓度差异具有几种影响。首先，该系统的光学设计适合用于12CO2、13CO2和14CO2检测的样品OGE单道次光束激发和用于14CO2检测的驻波波束传播。如图13所示的一个实施例将具有一个样品OGE池来检测所有三个碳种类12C、13C和14C。这通过M4分离12C束来完成，从而使12C参考信号穿过13C和14C池，使得数据可相对于12C而标准化，并在先前界定的同位素比率公式中报告。达到较小的检测极限需要对适用于提供较高信号保真度的检测信噪比(包括设计特征)进行管理。
该多同位素实施例的一个附加特征为维持稳定的检测信号。特别地，已证明OGE池、激光器和检测电子器件内的温度波动本身显示为与同位素变化类似的OGE信号。激光输出的波长漂移本身以类似的方式显示。因此，向GMP提供了准确的激光器、OGE池和电子器件温度控制，虽然这正如上述各种文件中所引用的采用再循环冷却器在实验室中完成，但一个实施例将以高级固态热管理为特征(如元件834、835、836中所示)(图13)。概括地说，根据某些实施例的多同位素分析仪包括如图13所示的12C、13C和14C实施例。在此实施例中，可共用组合系统的某些部件，参见图13，这些部件包括计算机和软件系统829、数据采集板828、包括泵的气体处理部件831、压力传感器813、814、流量控制器811、样品干燥器820和干燥罐氮气或氮发生器832。
碳12、13、14分析仪的示例性操作
如前所述，基于光学检测系统的同位素分析仪在针对13C的精确度和精度上具有内在的局限性，并不具有分析14C的能力。GMP分析仪的一个实施例包括使用针对12C、13C和14C的光电流分析仪。然而，本文所公开的各系统的系统方法可与针对12C、13C和14C同位素的任何类型的适当分析仪仪器一起使用。上述非光学方法(光电流法)提供了测量接近0％的现代放射性碳的灵敏度。该技术通过使用光电效应("OGE")实现了对同位素化学种类的专一性(specificity)。OGE可以高本底信噪比来测量，并且与激光功率成比率并经由排放量(discharge volume)集成(Murnick和Peer 1994，其教导以引用的方式并入本文)且产生与传统质谱仪的精度类似的精度。对于指定的时间段，相对于密封标准气体室，将排放转换成电信号，并根据所需精度处理。较长的测量间隔原则上将超出传统同位素比质谱仪的典型精度(即，<0.01‰)。可从下列等式(Murnick和Peer 1994)来理解OGE的优点：
S＝nLI(v)Aσ(v)C(1)
其中，具有平均强度(Wcm-2)I和频率v的激光器的系统的电响应S在弱放电时易于发生，n为互作用种类的密度，L为互作用区的长度，σ界定了激光器种类的互作用截面，并且C为光电流比率常数。注意，根据(1)，该信号在密度[n]和激光功率[I]上均呈线性。提高激光功率会使增益增加，从而增强信号稀释或相对于大多数种类提供浓度极低的同位素。通过变化气体混合物、气体压力和放电功率来提高信号可能发生，并影响参数C。不同于取决于光学元件的吸收和荧光测量，OGE减少收集和分散光学器件以及光传感器的使用。使用密封工作参考气体的同时测量消除了较小的排放偏差。如前所述(导致长使用寿命)允许降低仪器漂移、通常编制的标准之间的偏移(和传统质谱仪一样)和实验室之间的差值，这对当前的烧瓶取样方案至关重要。远程操作单元可处理样品，(例如)持续长达一天且以一小时间隔，以实现针对大气CO2同位素比的高测量精度(即，<0.05‰)或(例如)持续短至1秒(针对13C和18O，分别产生至少约0.01和0.1‰的精度)，以用于植物生理或生物学监测用快速分析方案中。可以半连续批处理方式或连续流动方式来分析样品；如前述实施例中所述，每个配置可采用不同的硬件。具体地讲，在一个实施例中，就CO2而言，采用了三个同位素激光器，一者用于确定12C含量，一者用于确定13C/12C比率，并且另一者用于确定14C/12C比率(Freed,C.1990，其教导以引用的方式并入)。
特定操作的实例
该实例的仪器的一个实施例的操作如下所示。参照图6，在数据采集和控制单元8的控制下，从电源装置14向泵30供电。因为IRGA 4、样品调节单元18、同位素比率分析仪24和泵30均与耦合管5、7、9连接以便提供连续气体流路径，所以将进气管2处的气体经所有管道耦合部件抽吸并从排放管33中排出。气体穿过IRGA 4后，便穿过样品调节单元18，然后进入同位素比率分析仪24。因为该气体已抽吸通过构成该实施例中样品调节单元18的氧洗涤器36(如图7所示)，则除去了氧气。继续抽吸无氧气体通过耦合管7，并使其进入同位素比率分析仪24。在抽吸充足的气体通过同位素比率分析仪24以清除上一次测量中的任何残余气体之后，数据采集和控制单元8便停止泵30。既然IRGA 4和同位素比率分析仪24已从进气管2收到适当等分的抽吸气体，数据采集和控制单元8便通过IRGA 4开始CO2浓度测量，并通过同位素比率分析仪24开始CO2同位素测量。IRGA 4和同位素比率分析仪产生的测量数据经数据采集单元8来获得并储存或传输。可立即或在加载到数据采集单元8中的程序指示的延迟期后重复整个事件过程。
具有样品调节单元18(包括图8所示的设备)的实施例的操作如下所示。最初，将电磁阀60和流量控制阀54关闭，以使其无气体流过。在数据采集和控制单元8(见图6)的控制下，打开电磁阀60，并从电源装置14(见图6)向泵30(见图6)供电。将进气管2(见图6)处存在的气体吸入，并使其经过IRGA 4(见图6)、耦合管5(见图6)、进气管40、气体室42和电磁阀60。继续通过耦合管62、耦合管29(见图6)、泵30(见图6)来抽吸气体，并最终从排放管33(见图6)中排出。气体选择性膜46对气体流具有相当大的阻力，因此在该操作阶段不允许大量样品气体通过。当经IRGA 4(见图6)和气体室42抽吸了足够的气体以清除先前测量中剩余的任何气体时，数据采集和控制单元8(见图6)便关闭电磁阀60。由于IRGA 4(见图6)已收到适当等分的样品气体，所以采集和控制单元8(见图6)便开始CO2浓度测量。泵30(见图6)继续运行，并在同位素比率分析仪24(见图6)、耦合管7、9、29(见图6)、出气管56和耦合三通管48中形成真空条件。当泵30(见图6)已运行足够长的时间以在附件中达到所需真空时，采集和控制单元8(见图6)便停泵30(见图6)。气体室42中含有的样品气体的CO2此时由于其整个压差而渗透气体选择性膜46。
使气体室42中含有的样品气体中的CO2渗透气体选择性膜，直到足够的CO2已聚集在真空部件中，以在其与适当量的载气(例如，纯氮气体)混合时进行精确的同位素比测量。在数据采集和控制单元8(见图6)的控制下，开大流量控制阀54，足以使加入的纯氮气体从载气源50流过耦合管52。氮气穿过耦合三通管48、出气管56、耦合管7(见图6)，并进入同位素比率分析仪24(见图6)。氮气流将先前渗透气体选择性膜46(图8)的CO2中的大部分气体带入同位素比率分析仪24(见图6)中。当适当加入量的气体存在于同位素比率分析仪24(见图6)中时，数据采集和控制单元8(见图6)便关闭流量控制阀54。此时，数据采集和控制单元8(见图6)开始子同位素比率分析仪24(见图6)中对CO2进行同位素测量。IRGA 4(见图6)和同位素比率分析仪24(见图6)产生的测量数据经数据采集单元8(见图6)来获得并储存或传输。可立即或在加载于数据采集单元8(见图6)上的程序指示的延迟期后重复整个事件过程。
具有样品调节装置18(包括图9所示的设备)的另一个实施例的操作如下所示。最初，将电磁阀66和流量控制阀72关闭，以使其无气体流过。在数据采集和控制单元8(见图6)的控制下，打开电磁阀66，并从电源装置14(见图6)向泵30(见图6)供电。数据采集和控制单元8(见图6)也将低温阱82设置成非捕集状态，以便气体可自由地流向低温阱。
随后，将进气管2(见图6)处存在的气体吸入，并使其经过IRGA 4(见图6)、耦合管5、进气管64和电磁阀66。然后，将气体抽吸通过耦合三通管68、低温阱82和出气管84。然后，气体流继续流过耦合管7(见图6)、同位素比率分析仪24(见图6)、耦合管9(见图6)、泵30(见图6)，并经排放管33(见图6)流出。当抽吸了足够的气体通过低温阱82以清除上一次测量中剩余的任何气体时，数据采集和控制单元8(见图6)将低温阱82设置成捕集模型。气体继续从进气管2(见图6)径直流过管道耦合部件，而可凝气组分被低温捕集在低温阱82中。当气体已流动足够长的时间而可使适当量的CO2聚集在低温阱82中时，数据采集和控制单元8(见图6)便关闭电磁阀66，并使泵30(见图6)在耦合三通管68、低温阱82、出口管84、耦合管7和9(见图6)以及同位素比率分析仪24(见图6)中形成真空条件。数据采集和控制单元8(见图6)此时开始对IRGA 4(见图6)内含有的等分气体进行浓度测量。当泵30(见图6)已持续运行足够长的时间以在附件中达到其极限真空时，采集和控制单元8(见图6)便停止泵30(见图6)，并将低温阱82设置回其非捕集状态，以便释放捕集的气体。由于气体从低温阱82中释放出来，其扩散至先前处于真空下的整个部件中。当停止足够的时间以使捕集的样品完全蒸发时，数据采集和控制单元8打开流量控制阀72，以使来自载气源74的载气(优选地为纯氮)流过该流量控制阀。氮气流从流量控制阀72流过耦合三通管68、低温阱82，并经出口管84流出。氮气流过耦合管7(见图6)，并进入含有先前捕集的样品气体中的大部分气体的同位素比率分析仪24(见图6)。当所需加入量的气体存在于同位素比率分析仪24(见图6)中时，数据采集和控制单元8(见图6)便关闭流量控制阀72。然后，数据采集和控制单元8(见图6)开始对同位素比率分析仪24(见图6)中的CO2进行同位素测量。此外，IRGA 4和同位素比率分析仪24产生的测量数据经数据采集单元8来获得并储存或传输。可立即或在加载于数据采集单元8上的程序指示的延迟期后重复整个事件过程。
低温捕集设备82(如图10所示)(连同图9的样品调节装置18)的实施例的操作如下所示。采用填充至大约75％容量的液氮杜瓦瓶112，数据采集和控制单元8(见图6)可控制U形管108的温度条件，以便低温捕集在液氮温度下可冷凝的气体样品或对先前捕集的样品进行解冻。
在数据采集和控制单元8(见图6)的控制下，当需捕集样品时，打开电磁阀102，并且无电流流过电阻加热丝106。该动作使任何氮气或空气捕集在气瓶110的上部，以从排放管100、电磁阀102逸出，并从排气管104中排出。从气瓶110上部逸出的气体反过来又使气瓶110中的液氮液位上升至与杜瓦瓶112中的液氮液位相同的位置，从而将U形管108的下部浸没在液氮中。只要这些条件存在，U形管108则将保持在液氮温度下，并且如果流经U形管108内部的任何气体在液氮温度下可冷凝，则这些气体将液化或冻结。当需解冻样品或需要非捕集状态时，数据采集和控制单元8(见图6)将关闭电磁阀102，并向电阻加热丝106供电。通过电阻加热丝的电流产生热量，并开始蒸发附近的液氮。由此产生的氮气不能从气瓶110的上部逸出，因为电磁阀102已关闭，并且结果是气瓶110内的液氮液位被压至低于杜瓦瓶112中的液氮液位。氮气继续将气瓶110内的液氮液位压低，直到该液位接近气瓶110的底缘。只要电磁阀102保持关闭，并且电流流过电阻加热丝106，则气瓶110内的液氮液位将保持在U形管108以下。电阻加热丝产生的热量继续加热U形管108，从而提供了足够的能量来析出先前捕集在U形管108的内部的任何气体。可对数据采集和控制单元8(见图6)施加至电阻加热丝106的电能进行调制，以便不将U形管108的温度升高至如此之高，而会不必要地放出过热并汽化液氮。
如图11所示并用于批处理方式的实施例的可变波纹管设备83(连同图6的样品调节装置18)的实施例的操作如下所示。采用开至最大程度的可变波纹管83，数据采集和控制单元8(见图6)可控制可变波纹管的体积，以便减小其中CO2的浓度过大(例如在分析纯CO2的情况下)而不会落入分析仪已校准的浓度范围之内的样品气体的样品大小。对于针对同位素分析的气体处理领域的技术人员而言，该过程得到了充分的理解(Werner和Brand2001)。然而，在这种情况下，可能需要专用于空气中CO2浓度范围内(例如，从10-10％CO2至100％CO2)的14CO2和13CO2的多条校准曲线。使用波纹管将样品大小减少在分析仪(例如，13C、14C)的最有利精确度和精度范围之内是一种用于此目的的方便方法。
最初，将电磁阀66和流量控制阀72关闭，以使其无气体流过。在数据采集和控制单元8(见图6)的控制下，打开电磁阀66，并从电源装置14(见图6)向泵30(见图6)供电。数据采集和控制单元8(见图6)也将波纹管83设置成非捕集状态，以便气体可自由地流向低温阱。
随后，将进气管2(见图6)处存在的气体吸入，并使其经过IRGA 4(见图6)、耦合管5、进气管64和电磁阀66。然后，抽吸气体通过耦合三通管68、波纹管83和出气管84。然后，气体流继续流过耦合管7(见图6)、同位素比率分析仪24(见图6)、耦合管9(见图6)、泵30(见图6)，并经排放管33(见图6)流出。当经波纹管83抽吸了足够的气体以清除上一次测量中剩余的任何气体时，数据采集和控制单元8(见图6)将波纹管83设置成气体捕获模型，在这种情况下，将开关阀设置到关闭位置，从而两个端口均使气体扩散至波纹管和相关的管接头中，而无需将其抽走。足以使气体在波纹管的体积中平衡的一段时间之后，设置控制单元8(图6)，以在一定程度上关闭波纹管，以便减少波纹管的总体积。同时，将管道腔体68、86和84打开至真空状态，以冲掉任何剩余气体。
泵吸适当的时长后，关闭阀66和72并充分排空。此时，控制单元8(图6)打开端口，以使波纹管中的气体扩散至管道体积中。然后，控制单元关闭波纹管阀门，并且如前所述将系统抽空，以减小样品大小。然后，控制单元8(图6)继续重复该程序，直到样品气体的压力符合采用相关校准曲线进行的分析和比较所需的最佳压力。然后，数据采集和控制单元8(见图6)开始对同位素比率分析仪24(见图6)中的CO2进行同位素测量。此外，IRGA 4和同位素比率分析仪24产生的测量数据经数据采集单元8来获得并储存或传输。可立即或在加载于数据采集单元8上的程序指示的延迟期后重复整个事件过程。鉴于14CO2和13CO2之间存在巨大的浓度差异，三池系统中操纵用于分析的样品气体压力是一个关键的性能因素。
在另外的实施例中，样品气体混合物可由液体或固体样品提供。通过加热或燃烧将固体和液体样品变成气体。样品气体混合物可通过多种市售装置中的任何一种提供，这些装置能够由非气体样品产生气体，以便促进气体浓度或气体同位素比率测量。例如，可将Dumas燃烧装置(如，由Carlo Erba制造的一种装置)连接至进气口，并且以此前描述的方式类似的方式来分析由燃烧固体样品材料而产生的气体混合物。
在另外的实施例中，将该装置获得的数据经由遥测传输至用于分析和数据汇总的一个或多个中央单元。从而可采用数据来构建国家、区域和全州范围的预算或视情况所需来构建。图24-29示出了作为装置位置实例的国际(欧盟)、国家(美国)和全州范围内的网格，这些网格具有实时、同时测量、监测、报告及核查大气CO2中13C和14C的能力，所有这些能力均根据所有装置共用的单一标准来界定。图16、17和18示出了实施例，其中现场装置将数据传输至卫星或其它装置，然后分析并汇总数据，以符合自愿性和/或规定性政策以及用于如图19所述的碳交易平台。
各系统的系统的应用
在某些实施例中，一种用于同位素界定的碳排放的新型报告系统可在温室气体交易和基于碳的金融工具的环境中使用。可连同流量和体积测量值来使用CO2中的13C和14C测量值，以取得所排放CO2(以升(摩尔)计)(以及以其熟知的C排放单位换算计)的总排放值。
二碳的交易范例：系统的系统的应用
在某些实施例中，一种用于同位素界定的碳排放的新型报告系统可在温室气体交易和基于碳的金融工具的环境下使用。可连同流量和体积测量值来使用CO2中的13C和14C测量值，以取得所排放CO2(以升(摩尔)计)(以及以其熟知的C排放单位换算，诸如公吨CO2和碳当量单位计)的总排放值。例如，就其中可计算一个或多个源的总体积(摩尔)的同位素值测量而言，则可知道生物源和化石燃料CO2的各自百分比。在至少一些实施例中，在采用本文所公开的各系统的系统进行的排放货币化中，也以明确地指出关注组分的方式报告了排放数据。例如，如果80％的排放物来源于化石燃料，而20％来源于生物源，则正如其各自的同位素组分的来源，可定义这种数据如下所示：
14C单位：80
13C单位：20
因此，由于同位素数据被转换成体积和摩尔数据，则可采用相同的定义来报告以公吨计的各个组分。例如，继上述实例之后，如果以公吨计的计算分别产生800公吨的化石燃料碳和200公吨的生物源碳(数字仅作说明用途)，则碳排放单位可如下报告：
14C mt:+800
13C mt:+200
在上述定义中，可看到使碳排放交易用明确数据可用于所考虑的碳源的值。目前，通常要估算排放量，因此变化的化石和生物源CO2组分目前尚未包括在交易机制中。
上述方法将可用于(例如)指定森林活动中所封存的碳。举例而言，可将所封存的碳进行如下量化：
14C mt:-200
13C mt:-600
在上述实例中，这些数据清楚地表明所考虑的森林已消耗了大约200公吨的化石燃料CO2和大约600吨的生物源CO2。以这种方式来表示所有碳单位的碳排放和封存数据可为碳单位增加极大的价值，并提供新的定价尺度。
在如上所述的情况中，可在任何时间段和任何空间尺度内(根据所考虑的整个空间内的多同位素单元的布局)得到建议的标志，从而提供与迄今为止的所有碳交易平台中使用的“公吨碳”和公吨“碳当量”单位直接兼容的值。因此，根据某些实施例的各系统的系统提供了根据实际测量使碳排放和封存数据货币化的新方式。此处采用的多同位素方法提供了一种记录碳排放数据(作为汇或源)的新颖方式，从而提供碳定价、碳交易和温室气体政策考虑因素的新尺度。
概括地说，针对13C和14C的基于激光器的各系统的系统提供了优于传统IRMS和AMS方法的多种有益效果。最重要的是，样品可在原位分析，并参考仪器标准—无需将气体样品输送至中央实验室。其次，样品以空气中游离的CO2进行测量，并无需低温收集步骤，从而以非破坏性方式来分析样品，并可进行重复分析和/或分析较长的时间段，以提高数据收集和统计确定性。再次，可将13C和14C数据与单个仪器中的各种标准或该仪器的各种外部标准进行比较，并也可与世界各地的任何位置处的仪器集合进行瞬时比较，从而确保位于任何位置处的所有样品的可比性。如本文所公开，大量密封参考池的制造可根据CO2充气激光器(如，Access Lasers,Inc.,CA或LTG-Lasertech,Concord,ON生产的那些充气激光器)制造领域的技术人员所熟悉的方法来进行。因此，参见图12，与典型同位素比质谱仪和加速器质谱仪的参考系统相比，使用含有或可使其含有相同的标准气体并应用于大量仪器中的密封池会极大地提高参考气体统计。参考数据和未知数据的近同时采集也提供了分析仪信号的短期和长期稳定性。
再参见图12，基于激光器的光谱法也通过与含有位于产生实际数据的多同位素分析仪外部的多种标准气体的密封池进行比较可对仪器标准密封池性能进行任选的层级式核查。仅包含主要密封池参考的外部仪器或模块可为单池、双池或三池配置，并将基本上如其多同位素分析仪对应物(也包含用于未知物分析的流通样品池)一样运行。因为外部参考池单元不包含样品池，但以其它方式配备有数据收集和遥测结构件，则可将外部参考单元用于通过遥测通信与任何其它多同位素分析仪比较参考信号与基线信号。另外，可将针对13C和14C的一系列标准池以及适当的激光器用作与世界各地的仪器集合进行通信的有效载荷用卫星。锁定于标准参考框架中的星基和陆基系统的此布置提供了构造瞬时碳信用的实时交易的能力，这是因为以实时的分析和报告模式来收集数据。另外，也可将针对13C和14C标准和数据收集的这种卫星配置用于通过本文提出的陆基测量来对用于碳排放及其它温室气体的温室气体观测卫星(例如，轨道碳观测卫星)收集的数据进行交叉比较。因此，降低了向跨时间和空间提供稳定和均匀(homogeneous)标准的同位素分馏并进行了参照全球网络相关的外部标准的原位分析的仪器法将非常适合所有碳交易平台的可靠和透明基线数据，并提供了将碳排放的空基观测值进行整合和比较的潜力。
下列实施例为示例性而非限制性。
实施例1：森林交易
参见图23，提供了各系统的系统的示例性应用。虽然对森林内许多位置的CO2浓度进行了测量和监测，但未报告用于确定和量化CO2源项以支持碳交易的同位素组成。将特定案例用于本文中以进行举例说明。
目前，采用多种诸如芝加哥气候交易所(CCX,www.ccx.com)此前所描述的森林算法来估算森林碳通量。然而，研究项目在有限的基础上量化碳交易。通过背景对项目之一进行简短描述。此实施例中测量和监测其中碳通量的森林描述于Barford，等，2001中，并且提供了将各系统的系统应用于森林碳通量的实际数据(但缺乏同位素数据)以识别和量化CO2源的机会。位于MA西部的站点配备有从地面延伸出30米的高塔且配备有适当的仪表。使用本领域的技术人员所熟知的涡动相关技术来测量8种水平下的CO2通量、动量和显热和潜热。选择同位素数据采集来匹配大气环境的高频输送通量的采集速率。涡动相关技术的使用在以下方面对同位素仪表造成了相当大的技术困难，包括(例如，Salesk等，2006)：1)快速响应时间(13CO2分析时间<1秒)；2)传感器稳定性，其允许连续测量而避免基线漂移从而能够捕获低频风输送通量；3)高精度，其可解决同位素信号中涡流通量的微小变化。将碳同位素涡流通量的对应单位指定为ppm米s-1/‰。这种等通量测量所面临的挑战为大约<0.1‰、10秒整合时间的标准偏差以及稳定的基线数据。上述涡动相关方法必须每天24小时进行并持续一年，以获得给定森林区域中的碳的净通量。因此，将冬季经由呼吸作用释放的CO2与夏季通过光合作用消耗的CO2进行比较：净差值将确定森林是汇(即，负数)还是源(即，正数)。因此，可采用一套高要求的仪器功能和软件协议来获得用于进行碳交易的准确和可靠的森林通量数据。根据Barford等(2001)历经8年得出的数据，每公顷森林封存大约2兆克或公吨碳，然而，未针对由植物吸收并作为常规浓度测量一部分的化石燃料CO2的存在量进行修正，因此表现出未知误差。如果将其用于以公吨计对碳进行定价和交易，则存在不可避免的和未知的不确定性。Barford等(2001)的数据通过高度为大约30米(高度足以位于林冠上方)小足迹塔来采集。需要一系列的塔高，塔越高则足迹越大。
用于此研究的测量途径和方法表明Barford等(2001)数据中的足迹表示大约100-200公顷。我们以较低的100公顷为例，其意味着100公顷通过地界线或其它方式来界定。根据该数据，历经8年的时间累积大约16兆克，从而导致每公顷的封存碳为16公吨。如果在八年结束时将碳按每顿20美元进行交易，则土地所有人将具有价值32,000美元的信用。然而，如果不确定性为10％，则定价可能高于或低于3,200的定价。因此，如果不使用14C和13C分析仪，则不可能从基于自然或植物的供给量中区分出化石燃料供给量。当考虑到碳交易潜在涉及的数千万或数亿公顷，人们就可看到在经济上存在着显著的误差。Barford等(2001)的数据清楚地表明需要年净通量数据，因为每年的值可能显著不同。例如，Barford等(2001)在1998年得到的数据显示碳封存(MgC ha-1yr-1吸收的净碳)相比前一年(1997年)减少了2.4兆克。由Barford等(2001)报告的记录显示1993年至1999年的整个测量期间的变化为0.2至2.4Mg。因此，此数据集连同其它数据集(例如，Scott等，2004)表明需要以高时间分辨率对森林碳通量进行全面测量以允许涡动相关应用，并最终提供碳储存数据，该数据可靠度高、可与其它项目进行相互比较并且所界定的不确定性大约<0.1MgC ha-1yr-1。
根据Scott等(2004)的数据，涡动相关方法还可用于建立与采伐森林以用于生产木制品(例如，纸、木构产品)相关的碳通量的标准。由于许多森林可支持木制品行业，因此可用涡动相关技术来确保实现通过树木再生进行碳替换。因此，一年间采伐后损失的碳和砍伐后的碳封存之间的质量平衡可确保森林的可持续性，同时使木制品有库存。树木再生速率将决定替换所移除的碳需要的时间段。因此，在进行森林采伐和重新种植的区域采用各系统的系统并且布置分析仪集合提供了在多种情况下建立碳动态以及相关的森林信用定价的独特方法。
我们注意到，与Galik等(2009)结合形成的森林碳补偿所报告的估算方法相关的误差率经证实高达30％。根据Glaik等(2009)的森林模型的灵敏度与森林碳组分有关，这些森林碳组分由许多碳库构成，包括地上和地下活性组分、森林地被物和枯死树木。此处所述采用涡动相关的同位素方法包括主要地下和地上生物质及其动态碳吸收和释放。
在上述实施例后的一个实施例中，我们参考图23，其示出在100公顷网格线处的整个景观区设置的20个GMP阵列。GMP对从塔上或其它允许应用涡动相关的结构上所取的不同水平的气体进行分析。因此，将该实施例用作参考，我们对每100公顷土地所封存的16公吨碳进行说明。然而，在这种情况下，系统的系统：
1)提供了以理想地大约1至10Hz但也可为最多100Hz的高速率测量的化石燃料CO2的14CO2信号、生物源CO2的13CO2信号和总的12CO2，以允许与涡动相关方法进行整合。
2)提供了分析仪的互校准网络，以确保各装置的结果可进行比较。GMP布局应使得1至100千米尺度的分布在GMP检测范围内，该GMP检测范围对于14C为2‰，而对于13C为0.1‰。可能需要对各种布局模式进行测试，以取得分析仪的最优数量和配置。样品的引入高度应达到高于树冠至少数米，其中一些仪器设置得更高(例如，50米)。塔高度的组合可用于鉴别较宽的区域碳通量足迹。目前利用的塔范围在大约30米至400米(少数高塔)。
3)提供了用于将数据传输至中央单元的遥测系统。
4)提供了数据分析和模型集成。
则所采集的数据将由14C和13Cδ比率和CO2浓度组成。图23示出由总的CO2浓度(实线，顶图)、δ13CO2比率(中部短虚线)和δ14CO2比(长虚线，底图)组成的假设测量。注意，CO2浓度根据季节(标注S表示夏季，W表示冬季)上升和下降。总的CO2浓度无法确定化石燃料组分。此外，如图1和2所示，13CO2比率也未区分化石燃料对碳交易的贡献，以及由此的增加或损耗的净碳。增加或损耗则表示为源或汇的碳组分，或在交易项中表示碳信用损失(源)或信用增加(汇)。
10Hz的信号频率对于涡动相关数据而言是重要的。长于1秒时的数据率将不符合匹配风输送通量的要求，因此不能有效用于涡动相关，使得无法达到高分辨率和对碳通量的准确记录。因此，这种测量领域的技术人员将意识到，用涡动相关进行的同位素分析的广泛使用限于测量次数有限的少数站点，尽管涡动相关方法与单独的CO2浓度一起使用的这种塔网络为大约数百个站点，其为Fluxnet项目(Fluxnet 2009)的一部分，因此，认为急需本文所公开的“各系统的系统”方法的应用，但其还未被实施。
因此，当CO2在夏季随植物生长而减少时，13CO2比率由于对较重13CO2分子的根本性区别而降低。14CO2的趋势也变得不太乐观，因为化石燃料不含14C，因此稀释了当前的14CO2本底。然而，各项的原始数据(总的CO2浓度、13CO2和14CO2比率)可用于本领域的技术人员已知的一系列计算中，以取得化石和生物源CO2的源数据。如前所述，这种简单的同位素数据处理不足以支持碳交易，因为在代表区域缺乏足够数量的分析仪、互校准和适当的模型集成。为了举例说明，提供了Levin于2008年所述的获取化石燃料组分的简单计算的实例：
要由所测14CO2和CO2浓度估算区域化石燃料CO2，可使用以下质量平衡方程：
CO2测量＝CO2生物+CO2本底+CO2化石燃料；以及
CO2测量(δ14C测量+1000‰)＝CO2本底(δ14C本底+1000‰)+CO2生物(δ14C生物+1000‰)+CO2化石燃料(δ14C+1000‰)
在上述方程中，CO2测量为从装置网络观察的CO2浓度；CO2本底表示参考清洁空气场所的CO2浓度(例如，Globalview 2006)；CO2生物为区域生物源组分；以及CO2化石燃料为测量区域的化石燃料组分。这些组分中以符号δ表示的14C/12C比率分别为测量的δ14C、δ14C生物和δ14C化石燃料。δ14C为与14C/12C比率的‰偏差，该比率根据NBS针对衰变而修正的草酸标准活性来获得(Stuiver和Potlatch 1977)。
因此，求解CO2化石燃料得出下列方程：
CO2化石燃料＝[CO2本底(δ14C本底–δ14C生物)–CO2测量–(δ14C测量–δ14C生物)]/δ14C生物+1000‰
例如，如果对于阵列内土地而言，确定的化石燃料的平均贡献为所测总CO2的1ppmv，则使用Barford等2001年的数据，未核算大约10％的误差率，这相当于储存了1,440公吨的CO2而非1,600公吨。以美元进款额计，误差为3,200美元的差值。在较大规模(诸如由州和更大地区代表的规模)上，这种误差将加倍。就2008年而言，根据报告机构PointCarbon(www.point.carbon.com)，代表所有碳金融工具的碳交易的总美元进款额为大约1,290亿美元，主要归因于欧盟内的交易。因此，10％的误差率(如果为代表性的)相当于大约129亿美元。利用多同位素分析仪产生的数据的复杂性在图23中示出，并且明显需要适当的数据-模型集成来取得100公顷面积的总碳。所公开的用于进行碳交易的各系统的系统需要各种尺度(此实施例中所示从分析仪到数据分析及合成)的集成部件。
因此，如图24所示，可利用达到地面以上的现有塔及其它结构将GMP装置设置为跨国家尺度，如美国和跨州范围(如针对缅因州所示)的情况(图25)。图26示出针对区域温室气体倡议的表示美国东北部的系统的系统布局。图27示出针对中西部温室气体减排协议的系统的系统布局。图28示出针对西部气候倡议系统的系统布局。图29针对温室气体的欧盟交流交易计划的系统的系统布局。仅为了说明目的，将GMP装置以5度×5度的间隔设置，或如果需要可根据分析仪的初始布局及其它因素将其以其它方式设置。可使用高度不同的塔来捕获取决于高度的同位素通量的其它数据。
实施例2：土壤碳交易
参见图30，提供了各系统的系统的另一个实施例。土壤的碳贮存量远超过现存生物质的碳贮存量，并且在某些方面比现存生物质的碳贮存量更不稳定。在CO2增加并因此使表面升温的条件下，生物圈模型所预测的较高纬度的升温表明大量的此前封存的碳可能会被释放。土壤中的碳释放主要通过土壤湿度和温度来确定(Amundson等，2008年)，因此可能在取决于许多因素的整个景观区高度不同。由于这些原因，应确定和测量大量站点的土壤通量，以检测与全球变暖有关的土壤释放。此外，努力对(范围从农业用地到牧场用地的)土壤中的碳进行封存适于碳交易补偿(CCX 2010)，但其基于总体过于简单化的程序和估算。一种如本文所述的各系统的系统：
1)提供了以规定的每分钟大约1个样品的时间间隔(以与土壤通量室和土壤探测器气体源整合)测量的化石燃料CO2的14CO2信号、生物源CO2的13CO2信号和总的12CO2。涡动相关塔也应按上述使用，以理想地1至10Hz但也可为最多100Hz的取样频率来进行森林取样。对于已建立的森林碳GMP—涡动相关，这适用于土壤样品室和土壤探测器。
2)提供了分析仪的互校准网络，以确保各装置的结果可进行比较。土壤气体室和探测器的布局可根据区域的统计分析进行，以确保数据具有代表性。涡动相关测量的次数、高度和配置可取决于多种因素，诸如地形、昼间CO2的波动强度和风型态。然而，塔高的范围在植被接近表面如草原、牧场等的地形中比较宽松，从数米至30米。
3)提供了用于将数据传输至中央单元的遥测系统。
4)提供了数据分析和模型集成。
差不多与大气环境中总的CO2测量值未反映CO2的源(汇)类似，土壤CO2大气环境也未反映与总的CO2有关的源组分。然而就土壤而言，所关注的各种碳(参见图30)源与碳的年代有关，而与生物源碳与化石碳之间的差别无关。具体地讲，年代在2至8,000年前的极古老土壤碳的大规模释放表明此前封存的碳在进行释放，并潜在预示着大的碳源进入大气环境中，这可能对大气环境的辐射预算具有显著的影响。
存在许多开发良好的技术，用于对地上土壤气体自动取样，以获得整合的土壤通量。这种装置为Li-COR Bioscience Corp.(Lincoln,NB)制造的型号为LI-8100-101和LI-8100-104的自动土壤CO2通量系统。所述装置专门设计用于多腔应用，以提供土壤CO2通量率的高空间和时间分辨率。该系统具有多个室，其以规定的间隔自动打开和关闭以避免人为影响，即经长时间由微小压力变化引起的CO2吸收和渗漏。这种由LI-COR出售的室可在多风和/或平静条件下远程作业。
除了土壤气体监测器之外，还需要布置涡动相关装置，以记录表面环境附近土壤气体的聚集。因此，涡动相关的取样率可为速度<1秒。因此，诸如并入结合GMP并位于集合中并进一步由涡动相关方法支持的LI-COR装置的各系统的系统对确定给定区域的碳的释放或封存将极其有用。
另外，也可使用对一定深度的CO2土壤大气环境进行取样的商用装置，诸如Vaisala,Inc.描述的型号为GMP343l的以流通模式作业的二氧化碳探测器。在实践中，土下气体取样领域的技术人员意识到对用于分析的一定深度的气体样品进行捕获的方法。
因此，如图30所示，与在样品歧管605中组合的任何数量的地面处的土壤取样室601和/或任何数量的地下取样系统602、603和604连接的GMP单元600可对景观区的土壤碳释放或土壤碳封存进行单独和整体检测。上述土壤通量室601提供了得自整个土壤柱609的整合的土壤气体样品，因此代表土壤气体的平均组成。与样品歧管605结合的不同深度的土壤探测器602、603和604提供了每个土壤层的土壤气体组成特征。现代土壤606相比于位于土壤柱中处于较大深度的较古老土壤607和608包含较高浓度的14C。在此具体图示中，土壤同位素碳通量可通过合并土壤通量速率直接测量，所述土壤通量速率通过给定区域在限定时间段释放的CO2化石和生物源的量来给定。因此，诸如Amundson等于2008年所述的适当模型可连同同位素数据使用，以取得释放或封存的碳的公吨数。如上所指出，使用涡动相关可对土壤气体和表面环境附近中气体的聚集进行整合，以全面限定给定区域在给定时间段内的碳通量。
本文所述的各系统的系统方法可用于测量和监测与土壤保护策略(诸如免耕方法和重新栽培贫瘠土壤(例如，Schlesinger 2000)有关的土壤CO2通量，从而提供了界定给定土壤在多种条件下进行碳封存的能力的关键方式。对于土壤碳测量而言，显然需要这种各系统的系统。如前所述，芝加哥气候交易所仅根据模型提供了估算的大片土地的封存率(CCX 2010)。这种模型并未考虑诸如土壤湿度、变化的表面温度和作为肥料的营养物质的供应的因素，从而形成可导致土壤碳交易中错误碳度量指标的不确定因素。使用本文所公开的各系统的系统提供了降低这种不确定性的方式，并形成随后可用于进入土壤碳市场的经核查的碳通量。使用本文所公开的各系统的系统可提供若干种土壤碳金融产品，诸如与具体土地管理实践(例如，种植特定种类的植物、耕种方法、养分供应等)有关的土壤碳通量。如上所述，就森林碳交易而言，该各系统的系统可用于在行业中采用多种土壤和植被管理实践的区域中和/或根据土壤生态系统类型来量化碳动态。
实施例3：农业排放交易
参见图31，提供了各系统的系统的另一个实施例。根据图31，在给定位置出界定了农田350。在任何给定的田地或一系列田地的中央处建立涡动相关通量塔351，其：
1)提供了以理想地大约1至10Hz但最多100Hz的高速率测量的化石燃料CO2的14CO2信号、生物源CO2的13CO2信号和总的12CO2，以允许与涡动相关方法进行整合。
2)提供了分析仪的互校准网络，以确保各装置的结果可进行比较。用于涡动相关的塔的构造和高度将延伸高出农作物表面，并且因此范围在数米至30米，其中由信号强度、风型及其它因素确定的GMP的数量提供了对农业碳循环的同位素特征的检测能力。可能需要GMP的初始布局来优化GMP分析仪的布局。
3)提供了用于将数据传输至中央单元的遥测系统。
4)提供了数据分析和模型集成。
目前，农业碳交易和储存的核查是最难实施的方面之一。当考虑到植物为年生或半年生植物，然后从地面移除时，可易于理解该困难。因此，农业碳预算的充分核算必须考虑从土地中移除的生物质以及代之以新作物来覆盖该土地。另外，就其性质而言，农业实践涉及对土壤进行挖掘和在许多情况下进行进行翻耕土壤，以使得挥发性土壤碳组分通过氧化释放到大气环境中。另外，还在总体预算项目中考虑肥料的使用，因为施用肥料对种植者而言会产生成本，并且肥料的生产涉及产生温室气体。同样在这种情况下，大面积的农业用地可种植一种作物，每块这种不同作物的区域提供有涡动相关各系统的系统。因此，CCX(CCX 2009)所利用的核查测量(例如)缺乏精度，并且不顾种植和采伐细节中的明显差异而盲目应用于所有土壤，从而可能不确定地造成碳交易错误，这些错误可通过使用本文所公开的各系统的系统方法减至最少。
另一种方法涉及通过任何数量的土壤数据集而参数化的模型，所述数据集表示大面积的田地样品分析。一种这种产品C-Lock(Updegraff等，2005)采用这种系统。碳封存率基本上分为免耕和常规耕种，并且盲目地跨大面积的土地应用。该C-Lock方法基于称为Century(Parton等，1993)的土壤有机碳模型，并且在未对可改变土壤碳含量的因素进行进一步检查的情况下使用，所述因素包括气候因素降雨、植被变化和土地管理。因此，由于森林碳通量及其与碳定价的关系，本文所述的农业碳金融产品尚未知晓或提出，并且还未实施用于测量、监测、核查和核算碳通量的系统的系统。
根据本文公开的各系统的系的统实施例，布置在农业用地的样品格网内的一组监测站可按照先前所述进行采集。可根据待研究农业区的大小以100米平方米至1000平方米的间隔和数倍间隔来部署市售系统(诸如得自Campbell Scientific,UK的涡动相关系统)并将其与GMP 13C和14C分析仪集成。13C、14C和CO2浓度的存储量可按先前所述来获取。在这种情况下，间隔处的通过重量和土壤有机碳量化以匹配GMP装置布局的所收获的生物质可通过标准土壤分析技术测量；所有实践对农业和土壤管理领域的技术人员而言是已知的。因此，连同已知的农业管理模型实施各系统的系统可减少碳公吨数的不确定因素，所述碳公吨数对于表示多种农业实践的碳交易而言是必须的。
我们注意到CCX(CCX 2010)提供的关于农业减排的建议和要求重点在于消除粪便沼气池所产生的甲烷。对于较小的单个点源而言，通过点燃排气口处的甲烷来核查点燃甲烷消除率。然而，我们注意到以上来自农业区的大范围释放的碳通量均作估算处理，因此容易出现错误。就反刍动物管理而言，虽然很明显还必须考虑与反刍动物管理有关的所管理的土地排放物，但我们注意到未将来自粪便的营养物质向景观区的施加纳入考虑。虽然本文所述的实施例提供了针对CO2的实施例，但各系统的系统适用于任何温室气体，诸如甲烷和一氧化二氮。
实施例4：水域(例如，海洋)的碳排放交易
参见图32，描述了适于确定海洋碳交易的实施例。作为一种“海洋施肥(oceanfertilization)”的方式，由位于表面水中的氧化铁所诱发的海洋碳封存引起了人们极大的兴趣。通过改善公海中天然浮游植物的生产来进行海洋铁施肥。浮游植物的年CO2吸收能力为世界年CO2吸收能力的大约一半。由于浮游植物在60天的生命周期内频繁生长、成熟和死亡，因此其部分生物质下沉到一定深度，从而将碳锁藏很长一段时间。此过程被称为“生物泵”，其为地球上最古老的生态机制之一。在过去数亿年的时间里，其帮助使深海中几乎90％的所有游离碳浓缩为沉积和溶解的碳酸氢盐。然而，作为直接从大气环境封存碳的机制，还未对由铁施肥所封存的碳进行测量、监测、核查和核算。
在若干方面，根据“京都议定书”以类似于处理世界森林的方式来处理海洋，其中世界海洋并未纳入符合碳信用的条件中，即使海洋为CO2的主源和主汇。虽然改变大部分的天然海洋碳循环的危险是真实的并且应视为地球工程努力，但经由海洋减少碳的主要障碍还与世界海洋的碳通量数据、精密测量和监视海洋碳通量的变化的能力的缺乏有关。GMP各系统的系统的部署方式与森林的部署方式大致类似。作为支持GMP集合的塔的替代，海洋浮标可用作表面监测器，并且可配备取样硬件以对位于所需深度的水进行取样。相对于森林，海水中碳的13C和14C同位素组成为指示海洋碳动态功能的关键特征(例如，Cias等，1995；Broecker 2007)。就14C而言，使用氢弹所形成的瞬态14C信号形成人造14C的脉冲，该脉冲提供了方便测量海洋中碳通量素率的信号。就13C而言，海水生物在光合作用和呼吸作用(类似于陆生植物)期间分离13C。然而，相对于森林，并未以足够的频率或空间覆盖范围测量海洋碳动态，以提供明确的碳海洋通量分布图和趋势。
数家公司在寻求使该过程商业化(例如，www.CLIMOS.com)，但未提出对碳交易计划中的排放物进行测量、监测、记录及核查的有效方式。然而，难以通过海洋化学物质和从海水中气提的溶解气体评估海洋碳交换和封存的有效性。通常，从海水中气提溶解气体为几乎自动化的过程，其导致烧瓶中的气体样品与得自整个空气中的气体样品类似，随后采用IRMS技术对这些样品进行单独分析。本文所述的各系统的系统易于适用于：
1)提供了针对涡动相关以每小时或更短的间隔测量的化石燃料CO2的14CO2信号、生物源CO2的13CO2信号和总的12CO2，同时使海水中的CO2提取器与其GMP及其集合集成。
2)提供了安装在海洋浮标上分析仪的互校准网络，以确保各装置的结果可进行比较。表面上的布置可能取决于信号强度，并且可通过对配置进行初始测试来确定，以适合信号和所关注的区域。
3)提供了用于将数据传输至中央单元的遥测系统。
4)提供了数据分析和模型集成。
因此，各系统的系统可在覆盖特定海洋区域的仪器浮标集合上远程作业，以测量海洋上部的大气气体。气体选择性膜或自动气提装置在与GMP集成时可对溶解的海洋气体进行取样。海水CO2提取装置可以从AxysTechnologies(Sidney,British Columbia)商购获得，型号为温室气体识别指示器。作为另外的选择、GMP同位素分析仪可在船上作业，以对14C和13CO2进行基本上连续的测量(例如，McNichols等，2002)。参见图31，海水经由水下入口300被吸入气体提取装置301。气体按此前所述通过洗涤器和干燥器来提取和处理，然后泵送到同位素分析仪302中。同位素数据和相关传感器数据经由船上SCADA系统303传输。浮标、气体气提和相关方法为海洋气体取样领域的技术人员所熟知。因此，由于大气缓和策略或由于变化的全球条件，使用系统的系统将允许对海洋中的碳交换进行连续标准地测量、监测和报告，以量化海洋碳封存。海洋代表潜在的大的CO2的汇或源，其为可能涉及碳交易的关键量化区域。
实施例5：城市规模碳排放交易
参见图33，示出对纽约曼哈顿实施城市规模碳预算。在一些情况下，大城市的温室气体预算可核算给定的州或地区的大部分排放。因此，对城市规模活动的排放进行定量的方法可能在总体碳预算计划中极其有用。城市中主要排放源的范围从工业(天然气和燃料)到发电(煤、燃料)到汽车(气体、柴油)。城市规模的各系统的系统易于适用于城市规模的测量和监测：
1)提供了在多个位置和海拔处以每小时或更短的取样分析时程测量的化石燃料CO2的14CO2信号、生物源CO2的13CO2信号和总的12CO2。涡动相关应用的取样率理想地为1至10Hz，但可为最多100Hz。
2)提供了分析仪的互校准网络，以确保各装置的结果可进行比较。装置布置可取决于合适的结构以及与边界、水域等的接近程度，但每平方英里不少于1个GMP以及每10平方英里的城市景观区最多1个GMP。
3)提供了用于将数据传输至中央单元的遥测系统。
4)提供了数据分析和模型集成。
再参见图33，多同位素分析仪以大约10至20英里的间隔沿着曼哈顿海岸布置，其中所示其它分析仪用于来自城市内部环境的排放。如图2所述，多同位素分析仪可区分CO2源与化石和生物源源，包括区分天然气CO2与煤和汽车燃料CO2。这种测量可用于对汽车排放、工业排放和使用固体燃料的补偿进行量化。例如，加利福尼亚州AB32减排计划涉及大幅减少来自拖拉53英尺或更长的箱型拖车的高功率牵引车的排放(www.arb.ca.gov)。各系统的系统提供了对除其它排放源之外的曼哈顿市的这种排放进行的综合测量。在2005年，来自客运和居住建筑物中使用能量的个体水平活动的碳排放占全美碳排放的大约40％(Brown等，2001)。因此，本文公开了一种各系统的系统。
由于在低碳能源技术方面还不存在巨大的飞跃，因此面对气候变化所提出的挑战，将需要个人、家庭和社区均成为该进程的一部分，包括建筑规范、交通基础设施投资和支持替代交通方式。意识到这点，许多城市开展了气候行动计划，包括大部分自愿的温室气体减排建议的不同组合。然而，如Salon等(2008)所提出，需要进行城市碳预算来开发用于地方政府的气候政策仪器。
量化来自各种城市源的排放的标准和方法将需要对13C和14C两者进行测量，并且在预算分析框架内进行整合。这种框架可由若干预算分配方法组成：
1)经由拍卖进行配额分配；
2)按人均计的均匀配额分配；
3)将当前人均排放用作起点，并逐渐过渡到按人均计的均匀配额分配；
和
4)将当前人均排放用作起点，并将所有地区的配额分配减少相同的百分比。
然而，如果提议使用直接测量(但测量较少)来管理和控制排放，则基于估算的减排和措施可能存在显著误差并且成本较高。因此，使用各系统的系统对于建立预算及核查城市规模环境的估算排放数据而言极其有用。
将各系统的系统战略性地布置在整个城市规模景观区。12C、13C、14C及其它种类(诸如一氧化碳(CO))的数据将按先前所述采集和传输。然后将传输的数据用于已开发的整合了实时气象(风等)数据的模型中。在选定位置，涡动相关塔(也可商购获得)可用于扩充数据和建立城市特定区域的通量分布图。在一个实施例中，图32还示出了此概念(针对纽约市)。左下图示出沿着曼哈顿两岸的GMP站点位置以及中部Manhattan站点。出于示例目的，所示其它GMP位置面向曼哈顿东部和西部。GMP设备可位于建筑物顶部和地被层以上，以确保空气充分混合。
城市源气体排放领域的技术人员可容易地看出，汽车碳排放的13C和14C同位素分布与基于天然气和煤的排放的同位素分布不同并且可被检测到。所有化石燃料来源基本上不含14C，使得值为–1000‰14CO2。然而，13CO2比率中存在足够的同位素组成范围，以将气体燃料(汽车燃料)与图2所示的煤和天然气分离。另外，作为对使用生物基燃料的测量，可使用-1000至现代14C的混合线(见图2)。因此，GMP和各系统的系统对于详细的碳预算而言是重要的。当与气象模型连接时，同位素数据可用于针对排放水平构建详细的城市广袤区域，并且这种数据可用于可核查减排以进入交易市场的情况，在所述交易市场中，可相应地登记和跟踪这种信用(减排信用)(例如，区域温室气体倡议，RGGI，2009年)。
实施例6：碳封存排放交易
参见图34，描述了电站碳排放的碳封存的示例性应用。测量、监测、核查和核算(MVA)已被确定为确保碳捕获与储存(CCS)项目安全和可靠的最重要方式中的一种。与注入井、不适当密封的废井或未识别/表征不充分的断层和断裂相关的渗漏可形成具有不同强度的点、线或地区CO2源。具有所需灵敏度和分辨率的可靠的测量和监测系统由此必须可用于一系列渗漏情况。在近地表环境中检测和表征CCS地点的潜在CO2渗漏可能具有挑战性，这是由于本底CO2通量中存在空间和时间变化(例如，Oldenburg等，2003；Lewicki等，2005；2009；Leuning等，2008)。另外，给定表面CO2渗漏信号的面积可能比其上将进行监测的CO2总贮存面积(例如，～100km2)低若干数量级。因此，要求创新性先进监测技术具有检测、定位和量化具有潜在较小量级和面积(分别相对于本底CO2变化和总调查面积)的CO2渗漏信号的能力。
如图2所示，显然13C比率不能区别生物源和化石燃料来源。CO2总浓度数据也不可用于明确地识别碳捕获与储存地点的化石燃料CO2是否渗漏。用于化石燃料的不同信号可明确地仅以14C比率存在。然而，正如可在对大型碳封存项目的渗漏的评估中理解，大多数情况下所储存的化石燃料CO2的渗漏物将与生物源CO2混合，因为该渗漏物会通过地方土壤、植物和水域扩散。再参见图34，碳封存和捕获的主要目标在于在气态形式的CO2从电站中排出或经由管道从中央储存设施输送时将其基本上埋藏。埋藏可在陆地上和海下的各种地质层组中进行。然而，在埋藏位置的埋藏和封堵后，该方法的主要特征为忽略不计的渗漏。在大多数情况下，潜在受影响的区域为数平方英里，由此该各系统的系统方法非常适于该分布式应用，其中：
1)提供了针对涡动相关测量的化石燃料CO2的14CO2信号、生物源CO2的13CO2信号和总的12CO2(取样率理想地为1至10Hz，最高为100Hz)、所选气体流、表面和深度处的土壤气体以及从地下水中提取的CO2。
2)提供了分析仪的互校准网络，以确保各装置的结果可进行比较。布置可能取决于注入地点的地质足迹，并且其范围可从每平方英里1GMP到每10至20平方英里一个单元。分析仪的位置可靠近尤其易于渗漏的区域(例如，井口、断层)。
3)提供了用于将数据传输至中央单元的遥测系统。
4)提供了数据分析和模型集成。
GMP分析仪将通过特定来源的取样线从所选区域接收气体，上述特定来源包括井口700、701、702；土壤表面通量室710和711；位于若干深度处的埋藏土壤气体收集探测器710、711；从地下水703、704中提取的CO2；地方水域；井下监测点；以及森林区的涡流通量塔708、709。根据图2，采用多同位素分析仪的各系统的系统可将具有14C比率(-1000‰)的纯化石CO2气体与具有现代14C比率(大约为1至50‰)的前生物源CO2进行区分，并沿着用于两个端元的混合线进行组合。13CO2的范围为对于纯草地排放物(C4草)而言的约–10‰至表示来源于生物质的典型C3基CO2的约–30‰。参见图34，CO2渗漏可沿着断层705、706、707发生，并由此需要如上所述的多种检测方法，以用甚至极低的速率来检测渗漏。例如，在100,000吨的CO2总封存量中，1.0％、0.1％和0.01％的渗漏率将分别导致每年1000、100和10吨的损耗。如前所述，甚至极低水平(例如，亚ppm)的14CO2样品浓度可通过采用低温阱工艺来实现，并由此提供极低水平的有效渗漏率确定值。
因此，可结合使用前述实例(土壤、森林、海洋、农业)中描述的方法组合，以明确地确定来源于化石燃料和随后埋藏的CO2的渗漏量。气体取样位置的布置可包括(但不限于)井口、井下或表面结构中的管道结构气体流；陆面位置，包括土壤表面通量位置、涡动相关塔和气体土壤剖面的深度土壤取样位置。
实施例7：烟气碳排放交易
参见图35，描述了测量和监测以构建生物源CO2和电站及其它工业活动的化石燃料CO2的相对比率的实例。电站排放物是目前由“京都议定书”规定的并由EU ETS及其它贸易团体付诸实施的现有交易计划所确定的关键来源。然而，实际排放数据不是这种来源的信息的主要来源，而是，根据燃烧的燃料类型、燃烧效率以及与燃料燃烧效率、燃料消耗率等相关的其它因素来采用估算值。因此，对于规定性和自愿性方案规定的最明显和直接可量化的CO2排放的点源而言，通常不采用实际测量来核查预算和排放报告。
另外，日益明显的是，生物源材料(包括所有生物燃料类型)的燃烧构成一种减少排放责任的关键方法，因为所有生物燃料的使用均被称为“气候中和”，并由此不遵守CO2排放规定或碳交易限制。因此，区分化石和生物源二氧化碳排放的可靠的连续流动法对于在电站及其它工业活动中的利用生物源材料的那些将极其有用。目前，作为固体或液体的源材料均需根据ASTM D6866的标准方法用典型的闪烁计数或加速器质谱仪(AMD)进行手动14C分析(Staber等，2008；Reddy等，2008)。适用于该方法的基本原理得到了充分的理解，并基于来自如图2图示的纯化石CO2和纯生物源CO2的端元的混合。
核查燃烧中生物源和化石来源的共混物的确定依赖于对(例如)具有任何化学组成的汽油共混物的可再生含量％与化石含量％进行的直接测量。在这种情况下，该确定可识别含有来源于煤或天然气的可再生乙醇与合成乙醇的燃料共混物。因此，对烟气进行取样或直接燃烧液体燃料共混物并随后分析所得CO2的各系统的系统很有用。因为可再生乙醇由现代日照植物来合成，并且汽油本身由化石石油来合成，所以对共混物的测量将直接量化该共混物中可再生乙醇的量。例如，含有10％可再生乙醇的共混物将产生10％的可再生含量，但含有10％合成乙醇的共混物将产生0％的可再生含量，即使在两种情况下10％乙醇均存在于汽油共混物中。该特征支持潜在使用生物乙醇的目的。这在缺乏真正可核查的乙醇来源的情况下也保护了国内利益相关者。与各系统的系统一起采用的该方法也可用于核查生物柴油和生物柴油产品(如，润滑剂)。正如固定源的燃烧一样，在燃烧过程中产生CO2的任何工业过程可采用各系统的系统来估算CO2总排放量的碳中和比率。
释放CO2的一些工业过程包括(但不限于)铝生产、氨生产、水泥生产、熟料生产(包括石灰生产中排放的CO2)、金属生产、氢气制备、甲醇生产、铁和铁生产以及纯碱生产。
其它工业过程燃烧废物来发电，从而将CO2作为一种所得的副产物来释放。GMP将设施排放物内的碳中和CO2量化。废料和废水污泥的燃烧为已燃烧废物的实例。
燃烧废物来发电的工业的实例为纸/纸浆和医疗废物处理领域。作物残渣焚烧为可使用监测目的用GMP的其它农业应用。例如，可用GMP来测量和监测乙醇生产中产生的作物残渣的焚烧，以提供新的碳信用来源。正如固定源的燃烧一样，可确定燃烧过程中释放的碳中和CO2。
获得二氧化碳排出物的“生物质CO2含量”的GMP应用基于与美国农业部使用的那些概念类似的一些概念，以获得含有生物质碳的制造产品的生物基含量。这通过将未知样品中相对量的放射性碳(14C)与现代参考标准中的相对量的放射性碳进行比较来进行。在当代生物质中的比率将为100％，并且在化石材料中的比率将为零。由现代生物质和化石碳的混合物的燃烧产生的二氧化碳将产生与燃烧的生物质碳和产生的碳中和CO2的量直接相关的GMP结果。
GMP可根据美国国家标准与技术研究院(NIST)提供的现代参考标准来校准，其中公元1950年的当代碳中的界定放射性碳含量为100％。选择公元1950年的原因是由于其表示热核武器试验之前的一段时间，热核武器试验通过每次爆炸(称为“炸弹碳(bombcarbon)”)将大量的过量放射性碳引入大气环境中。这是作为参考的一个逻辑时间点，因为该过量的炸弹碳会随着增加或减少的武器试验而发生变化。在某些实施例中，该效果的固定校正会根据GMP应用来采用，上述固定校正自约1996年起明确地用于从大气CO2贮存量中除去的碳。
GMP结果与焚化排出物中的碳中和CO2的百分比直接相关。在CO2排出物中测量的71％的可再生含量的值将表明71％的排出的CO2来自生物质(29％来自化石燃料)。这并不表示燃烧的生物质的重量或燃烧的化石燃料的重量。这是有利的，因为燃料的重量仅与从大气环境的二氧化碳吸收间接相关。呼吸吸收化合物为二氧化碳，并且燃烧排出物为二氧化碳。该GMP结果将与消耗和排出的生物源/碳中和CO2直接和明确相关。
我们在此示出了该应用的具体实例，参见图35。实际的燃料混合物中生物柴油的体积/体积混合百分比可根据其14C含量来估算，如下所示。首先，采用关于现代(生物)组分和化石(石油柴油)组分的燃料共混物的碳来记录Δ14C质量平衡：
Δ14C混合物＝FC,生物Δ14C生物+(1-FC,生物)Δ14C石油 (方程1)
其中Δ14C混合物为经由传统或AMS放射性碳确定测量的生物柴油共混物的14C含量。可将Δ14C生物作为生物柴油制备中使用的若干典型零售脂肪和油源的平均测量值—在这种情况下，我们取与北美洲现代玉米(牛的主要原料)的报告值一致的值(62±7‰)，其示出了2004年收集的平均范围为55至66‰(Huseh等，2007)。
将Δ14C石油固定在值–1000‰，该值与化石燃料组分的放射性碳确定领域的技术人员所熟知的石油端元测量值一致并如图2所报告。另外，FC,生物为来源于生物组分的总混合碳的质量分数。
因此，重新整理(方程1)，FC,生物可表示为：
FC,生物＝Δ14C混合物-Δ14C石油/Δ14C生物-Δ14C石油 (方程2)
方程2表明，样品燃料共混物中生物碳的比率(FC,生物)可根据该样品的所测Δ14C混合物以及端元材料的推理的已知Δ14C生物和Δ14C石油值而易于确定。我们假定Δ14C石油(-1000‰)和Δ14C生物(62+-7‰)合理地表示不变的端元，以便FC,生物的偏差可由所测Δ14C混合物值来充分解释。
然而，实际上，可能产生细微的复杂化过程，因为以美国和欧洲的B100生物柴油生产的具体实例为例，从脂肪至脂肪酸甲酯(FAME--生物柴油的常用混合物)的酯交换步骤利用了化石甲醇。例如，对于C18FAME而言，18/19的碳(脂肪链)来自脂肪和油，而其它的1/19(甲基碳)来自石油。因此，为了将FC,生物与B100端元更精确地相关，可定义下列方程：
FC,B100＝FC,生物/RC,生物/B100 (方程3)
其中FC,B100为生物柴油共混物中B100碳的质量分数，并且RC,生物/B100为纯组分B100中生物碳与总碳量之比。因此，可计算燃料共混物中B100的混合百分比(v/v)(B*)，如下所示：
B*＝100[VB100/VB100+V石油] (方程4)
其中VB100和V石油分别为燃料共混物的控制体积中生物和石油基组分的大范围体积。然后，可将单个组分的体积表示为：
Vx＝[mC,x+mH,x+mO,x/Fx] (方程5a)
其相当于：
mC,x/Fx[1+mH,x/mC,x+mO,x/mC,x)(5b)
其中mC,x、mH,x和mO,x分别为共混物控制体积中组分x的碳、氢和氧的总质量，并且Fx为组分x的密度。
为了简化符号，可记为：
θC,B100＝(1+mH,B100/mC,B100+mO,B100/mC,B100) (方程6)
以及
θC,石油＝(1+mH,石油/mC石油) (方程7)
其中θC,B100和θC,石油分别表征生物和石油基组分中氢气和氧气相对于碳的质量丰度。结合方程4–7，并重新整理后，所计算的生物柴油的v/v混合百分比B*可改写为：
B*＝100/[1+(FB100/F石油)(θC,石油/θC,B100)(mC,石油/mC,B100) (方程8)
现意识到：
mC,石油/mC,B100＝(RC,生物/B100/FC,生物-1)
可将(方程8)表示为：
B*＝100/[1+(FB100/F石油)(θC,石油/θC,B100)(RC,生物/B100/FC,生物–1)] (方程9)
其中FB100、F石油、θC,B100、θC,石油和RC,生物/B100为两种纯组分液体(B100和石油柴油)的性质，并因此FC,生物控制所计算的共混物含量B*。根据文献调查，可采用由零售B100和石油柴油产品的数据编译计算的平均值来使FB100、F石油、θC,B100、θC,石油和RC,生物/B100参数化(例如，Reddy等，2008)。由此(方程9)不需要对指定的标准化燃料共混物进行校准；相反，可采用对广泛的源材料相对较稳定的纯组分性质使其参数化。因此，(方程9)仅根据所测FC,生物值(方程2)可准确地估算任何实际燃料共混物的生物柴油含量。
进一步简化可通过采用来自开放文献中公开的大范围零售石油柴油和B100的FB100、F石油、θC,B100、θC,石油和RC,生物/B100属性值的简单平均数进行参数化(方程9)来进行(Reddy等，2008)。采用这种输入参数，将(方程9)进一步简化为：
B*＝100/[(0.869/FC,生物)+0.0813] (方程10)
其中集总参数(0.869和0.0813)为无量纲参数。为了清楚起见，将符号“B*”用于表示所计算的共混物含量。
因此，在图35示出的实例中，安装GMP 800，以经由燃烧室802来接收由石油柴油和生物源碳的混合物产生的烟道气体，上述燃烧室中含有–1000‰的14C的石油柴油组分803和由+59‰的典型法国餐厅油炸脂肪组成的生物源组分804(共混物805)，或者根据上述方程可使B*经计算后等于19.4％±0.6％(Reddy等，2008)。结合也对该烟道进行的体积流量测量由此获得的数据将产生大气环境中释放的化石碳和生物源碳总量。为了说明，我们假定释放了80公吨的化石二氧化碳和20公吨的生物源二氧化碳。因此，针对一个电站随时间由此计算的或在界定的空间尺度范围内由此计算的排放的定义将表示为：
+14C单位：80公吨
+13C单位：20公吨
可由此将按地区或按公司划分的任何电站组组合在GMP网络中，以向燃烧过程提供非化石源碳的连续和准确的记录。这种用途的GMP将阻止欺诈，因为混合生物源燃料和化石燃料的发电站可报告偏向于非化石的数据。
由此可利用与市场价交易条件及其它因素相关的定价。
因此，可将上述各系统的系统设备连同文献中实施的已熟知方法用于根据同位素限制来对将用于基于市场的系统(针对温室气体交换、规定性或合规框架或自愿性减排、预算和决策者)的碳单位进行有效的测量、监测、报告、聚合和货币化。
实施例8：全球放射性碳预算和核燃料循环
广泛部署对14CO2提供高数据率和高精度的GMP可使全球放射性碳预算本身得以改进。此预算在监测可能产生全球核燃料循环的核能生产和检测异常核电站中有多种应用。这根据发生在核电站运行和释放放射性核素(氚和14CO2)的燃料再处理(Yim和Caron 2006)期间的已熟知的反应而得出。虽然14C的脉冲继炸弹脉冲后已熟知(例如，Broecker 200)，但本底14C现接近自然水平(Broecker 2007)，并且将由核反应堆产生的14C估算为自然水平的约0.3％(Park等，2008)。因此，可将由这种反应堆运行的地区的核反应堆增加的14C用于表征这种电站的处理活动。碳14几乎存在于主要核反应堆系统的所有部分中，并具有高生产率。其通过气态和液态排放物并通过固体放射性废物的处理释放至环境中。任何核能活动均会排放14CO2，因为该物质难以直接滞留(例如，Yim和Caron 2006)。在没有这种核电站的地区，检测本底水平以上的14C应当在GMP的2‰的目前检测能力范围内以及采用覆盖该地区的GMP集合均可能实现。Roussel-Debet等(2006)已报告了在10年期间核电站附近的电站材料的14C值高达123‰，这表明反应堆活动期间的14CO2检测可行。在理想的条件下，应易于确定未经授权而运行的核电站。GMP对地下水中CO2的气提和对14CO2的后续分析也通过使来自水下来源或这种设施的排放流的气体排放物气泡生产(ebullition)而提供了具体的检测途径。
虽然进行了许多放射性核素分析来监测核能活动并核查条约规定(例如，Gitzinger等，2007)，但其需要接近大约25米的源，这取决于针对伽马射线和中子发射物质的检测器数量和/或检测器面积(Kallman 2008)。由核能生产释放的14CO2的生产和排放并不是很清楚，但对世界范围的反应堆已进行了这种估算(例如，Davis 1977；Yim和Caron2006)。许多研究已对核反应堆周围的电站样品中的14C进行了取样(例如，Korashi等，2006年；Dias、C.M.等，2008年)，并且提供了归因于多种反应堆类型(包括沸水反应堆和压水反应堆)中14CO2的释放的本底水平(Yim和Caron 2006)。然而，缺乏作为气态CO2的14CO2的实际测量。因此，本文所公开的各系统的系统构成了对核电站的主要排放物之一14CO2进行测量和监测的可行方法，其中14CO2将随着核能的广泛使用而增加。
各系统的系统将：
1)提供针对涡动相关测量的化石燃料CO2的14CO2信号、生物源CO2的13CO2信号和总的12CO2(取样率理想地为1至10Hz，但最高为100Hz)、所选气体流、表面和深度处的土壤气体以及从地下水中提取的CO2。
2)提供了分析仪的互校准网络，以确保各装置的结果可进行比较。GMP密度和布置将取决于当地条件，但应使得检测的针对涡动相关的源信号在+2至+200‰的范围内，从而将本底14C视为大约5至10‰。
3)提供了用于将数据传输至中央单元的遥测系统。
4)提供了数据分析和模型集成。
使用各系统的系统来量化14CO2可应用于核能设备的测量、监测、核查和核算，这与将各系统的系统用于碳捕集与储存的方式极为相似。多种涡动相关、地下水CO2取样、点位置(例如，反应堆基础设施的不同部分)和土壤CO2取样点可位于核设施附近。GMP的特定布置和配置将取决于电站信号的源强度、所允许的与给定设施的接近程度以及其它因素。相对于取决于直接进入电站样品位置的传统放射性核素分析而言，考虑对大面积的给定区域进行取样的方法实现了对各系统的系统的需求。该各系统的系统相比反中微子检测可为相对廉价的途径，据估算所述反中微子要提供潜在的远地监测须花费数万亿美元(例如，Guillian 2006)。
下列参考文献在本文中引用，并且其全部内容均以引用方式并入本文：
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应当理解，可形成功能、方法和实施方式具有多种变型的其它实施例，并且可在不脱离本发明的情况下进行各种修改。因此，本发明的范围应由所附权利要求来确定，并且不限于上述示例性实施例。

Claims (25)

1.一种用于产生将生物源和化石碳分别量化的可交易产品的系统，包括：
(a)用于收集碳通量数据的碳数据收集系统，其包括：
设置在预定代表性地理位置处的分析仪阵列，其中每个分析仪包括12C激光装置、13C激光装置、14C激光装置、测量一个或多个样品中含有的各12C、13C和14C同位素量的样品室、调制所述14C激光装置的斩波器以及允许以至少一小时一次的取样频率来测量12C、13C和14C同位素的计时器；
标准参考气体模块，用于获得标准参考基线并基于所述标准参考基线对由每个所述分析仪所测量的12C、13C和14C同位素量进行校准；
(b)全球参考系统，包括12C激光装置、13C激光装置、14C激光装置和测量全球参考样品中含有的各12C、13C和14C同位素量的全球参考样品池；
(c)校准系统，用于基于测量的所述全球参考样品中含有的12C、13C和14C同位素量将由所述碳数据收集系统的所述分析仪所测量的12C、13C和14C同位素量标准化以获得标准化的12C、13C和14C同位素量；以及
(d)数据处理系统，用于接收并转化来自每个所述分析仪的所测量的12C、13C和14C同位素量、所述标准参考基线、所述标准化的12C、13C和14C同位素量、以及校准的测量的12C、13C和14C同位素量中的一个或多个转换成将生物源和化石碳分别量化的可交易产品。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述碳数据收集系统还包括遥测装置，所述遥测装置用于将来自每个所述分析仪的所测量的12C、13C和14C同位素量、所述标准参考基线以及校准的测量的12C、13C和14C同位素量中的一个或多个发送至所述数据处理系统。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述预定代表性地理位置包括用于储存温室气体的表面或地下位置，以及其中所述取样频率为至少1Hz。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述预定代表性地理位置包括农业区中的地上或地下位置，以及其中所述取样频率为至少1Hz。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述预定代表性地理位置包括与水域相关的一个或多个位置，以及其中每个分析仪还包括能够对所述水域中的溶解气体进行气提的气提装置。
6.根据权利要求1所述的系统，其中所述预定代表性地理位置包括暴露到烟气的一个或多个位置，以及其中所述取样频率为一天至少1440次。
7.根据权利要求1所述的系统，其中所述预定代表性地理位置包括在核电站附近的位置，以及其中所述取样频率为至少1Hz。
8.根据权利要求1所述的系统，其中每个分析仪包括标准参考气体模块。
9.根据权利要求1所述的系统，其中所述全球参考系统位于卫星中。
10.根据权利要求1所述的系统，其中所述分析仪阵列包括超过25个分析仪。
11.根据权利要求5所述的系统，其中所述分析仪阵列包括超过100个分析仪。
12.根据权利要求1所述的系统，其中所述计时器允许以高达100Hz的取样频率来测量12C、13C和14C同位素。
13.根据权利要求1所述的系统，其中所述数据处理系统包括针对生物源碳和化石燃料碳参数化的一个或多个转换系统，以在所述数据处理系统中将来自每个所述分析仪的测量的12C、13C和14C同位素量、所述标准化的12C、13C和14C同位素量、所述标准参考基线以及所述校准的测量的12C、13C和14C同位素量转换成将生物源和化石碳分别量化的可交易产品。
14.一种用于产生将生物源碳和化石碳通量分别量化的可交易产品的方法，包括：
(a)将分析仪阵列设置在预定代表性地理位置处，其中每个分析仪包括12C激光装置、13C激光装置、14C激光装置、调制所述14C激光装置的斩波器和样品室；
(b)在所述分析仪的所述样品室中收集一个或多个样品；
(c)以至少一小时一次的取样频率测量所述样品中含有的各12C、13C和14C同位素量；
(d)用标准参考气体模块来获得标准参考基线；
(e)基于所述标准参考基线对由每个所述分析仪测量的12C、13C和14C同位素量进行校准；
(f)基于所测量的全球参考样品中的12C、13C和14C同位素量将所测量的至少一个样品中的12C、13C和14C同位素量标准化；
(g)将来自每个所述分析仪的所测量的12C、13C和14C同位素量、所述标准参考基线以及校准的测量的12C、13C和14C同位素量以及标准化的12C、13C和14C同位素量中的一个或多个发送至数据处理系统；以及
(h)在所述数据处理系统中将来自每个所述分析仪的所测量的12C、13C和14C同位素量、所述标准参考基线、所述校准的测量的12C、13C和14C同位素量以及所述标准化的12C、13C和14C同位素量中的一个或多个转换成将生物源和化石碳通量分别量化的可交易产品。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述预定代表性地理位置包括用于储存温室气体的表面或地下位置，以及其中所述取样频率为至少1Hz。
16.根据权利要求14所述的方法，其中所述预定代表性地理位置包括农业区中的地上或地下位置，以及其中所述取样频率为至少1Hz。
17.根据权利要求14所述的方法，其中所述预定代表性地理位置包括与水域相关的一个或多个位置，以及其中每个分析仪还包括能够对所述水域中的溶解气体进行气提的气提装置。
18.根据权利要求14所述的方法，其中所述预定代表性地理位置包括暴露到烟气的一个或多个位置，以及其中所述取样频率为一天至少1440次。
19.根据权利要求14所述的方法，其中所述预定代表性地理位置包括在核电站附近的地理位置，以及其中所述取样频率为至少1Hz。
20.根据权利要求14所述的方法，其中每个分析仪包括标准参考气体模块。
21.根据权利要求14所述的方法，其中所述全球参考系统位于卫星中。
22.根据权利要求14所述的方法，其中所述分析仪阵列包括超过25个分析仪。
23.根据权利要求14所述的方法，其中所述分析仪阵列包括超过100个分析仪。
24.根据权利要求14所述的方法，其中以高达100Hz的取样频率进行测量各量。
25.根据权利要求14所述的方法，其中使用针对生物源碳和化石碳参数化的一个或多个转换系统进行所述转换，以将来自每个所述分析仪的测量的12C、13C和14C同位素量、所述标准化的12C、13C和14C同位素量、所述标准参考基线以及所述校准的测量的12C、13C和14C同位素量转换成将生物源和化石碳分别量化的可交易产品。
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